(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空洞部を有する単結晶シリコン基板に熱電素子を形成したサーモパイル型赤外線センサに於いて、
前記空洞部を覆う第１の絶縁膜上に、複数のｎ型多結晶シリコン層が、
チップ中心から半径ｒ１の位置を起点として前記半径ｒ１より前記チップ外縁寄りの半径ｒ２までの間に形成される扇形パターンと、該扇形パターンの外縁に連接されて前記チップ外縁近傍まで半径方向に沿って帯状に延在する、前記半径ｒ２より前記チップ外縁寄りの半径ｒ３から前記チップ外縁側端部まで切り欠いた切欠部が設けられた、鉤型パターンと、からなる第１部分パターンと、
前記半径ｒ２の位置を起点として前記基板外縁近傍まで半径方向に沿って帯状に延在する、前記半径ｒ３から前記チップ外縁側端部まで切り欠いた切欠部が設けられた、鉤型の第２部分パターンと、
前記半径ｒ３の位置を起点として前記基板外縁近傍まで半径方向に沿って帯状に延在する第３部分パターンと、を有し、
前記第２部分パターンが、前記第１部分パターンの前記鉤型パターンに並列して配置され、且つ、前記第３部分パターンが、前記第１部分パターンの前記鉤型パターン及び前記第２部分パターンのそれぞれに設けられた前記切欠部に配置されて、各部分パターンが、それぞれ互いに噛み合わされて全方向に均等に広がる放射状に構成され、
前記ｎ型多結晶シリコン層と前記第１の絶縁膜とを覆う第２の絶縁膜に開口部を設け、前記開口部を介して前記ｎ型多結晶シリコン層と金属薄膜層との接触によって、チップ中心側に温接点部を、その周縁側に冷接点をそれぞれ形成し、前記温接点部と隣接する前記ｎ型多結晶シリコン層の冷接点部とを前記金属薄膜層で交互に接続して、前記第１の絶縁膜上に直列接続した熱電素子列を形成し、かつ前記熱電素子列上に絶縁膜を介して赤外線吸収膜を形成したことを特徴とするサーモパイル型赤外線センサ。
【請求項２】
空洞部を有する単結晶シリコン基板に熱電素子を形成したサーモパイル型赤外線センサに於いて、
（イ）前記単結晶シリコン基板に設けられた空洞部を覆う第１の絶縁膜と、
（ロ）前記第１の絶縁膜上に設けられ、
チップ中心から半径ｒ１の位置を起点として前記半径ｒ１より前記チップ外縁寄りの半径ｒ２までの間に形成される扇形パターンと、該扇形パターンの外縁に連接されて前記チップ外縁近傍まで半径方向に沿って帯状に延在する、前記半径ｒ２より前記チップ外縁寄りの半径ｒ３から前記チップ外縁側端部まで切り欠いた切欠部が設けられた、鉤型パターンと、からなる第１部分パターンと、
前記半径ｒ２の位置を起点として前記基板外縁近傍まで半径方向に沿って帯状に延在する、前記半径ｒ３から前記チップ外縁側端部まで切り欠いた切欠部が設けられた、鉤型の第２部分パターンと、
前記半径ｒ３の位置を起点として前記基板外縁近傍まで半径方向に沿って帯状に延在する第３部分パターンと、を有し、
前記第２部分パターンが、前記第１部分パターンの前記鉤型パターンに並列して配置され、且つ、前記第３部分パターンが、前記第１部分パターンの前記鉤型パターン及び前記第２部分パターンのそれぞれに設けられた前記切欠部に配置されて、各部分パターンが、それぞれ互いに噛み合わされて全方向に均等に広がる放射状に構成された、複数のｎ型多結晶シリコン層と、
（ハ）前記ｎ型多結晶シリコン層と前記第１の絶縁膜上に形成した第２の絶縁膜と、
（ニ）複数のｎ型多結晶シリコン層のチップ中心側と周縁側とにそれぞれ温接点部と冷接点部とを形成するために、前記第２の絶縁膜に形成した開口部と、
（ホ）前記開口部を介して前記ｎ型多結晶シリコン層と接触させて前記温接点部と冷接点部とを形成するための金属薄膜層と、
（ヘ）前記温接点部と隣接する前記ｎ型多結晶シリコン層の冷接点部とを前記金属薄膜層で交互に接続して形成した、直列接続した熱電素子列と、
（ト）前記第２の絶縁膜上と前記金属薄膜層上に形成した第３の絶縁膜と、
（チ）前記温接点部を覆うように前記第３の絶縁膜上に形成される赤外線吸収膜と、
（リ）前記直列接続した熱電素子列の終端部に形成される電極パッド部と、
を設けたことを特徴とするサーモパイル型赤外線センサ。
【請求項３】
空洞部を有する単結晶シリコン基板に熱電素子を形成したサーモパイル型赤外線センサに於いて、
前記空洞部を覆う第１の絶縁膜上に、複数のｎ型多結晶シリコン層が、
チップ中心から半径ｒ１の位置を起点として前記半径ｒ１より前記チップ外縁寄りの半径ｒ２までの間に形成される扇形パターンと、該扇形パターンの外縁に連接されて前記チップ外縁近傍まで半径方向に沿って帯状に延在する、前記半径ｒ２より前記チップ外縁寄りの半径ｒ３から前記チップ外縁側端部まで切り欠いた切欠部が設けられた、鉤型パターンと、からなる第１部分パターンと、
前記半径ｒ２の位置を起点として前記基板外縁近傍まで半径方向に沿って帯状に延在する、前記半径ｒ３から前記チップ外縁側端部まで切り欠いた切欠部が設けられた、鉤型の第２部分パターンと、
前記半径ｒ３の位置を起点として前記基板外縁近傍まで半径方向に沿って帯状に延在する第３部分パターンと、を有し、
前記第２部分パターンが、前記第１部分パターンの前記鉤型パターンに並列して配置され、且つ、前記第３部分パターンが、前記第１部分パターンの前記鉤型パターン及び前記第２部分パターンのそれぞれに設けられた前記切欠部に配置されて、各部分パターンが、それぞれ互いに噛み合わされて全方向に均等に広がる放射状に構成され、
前記ｎ型多結晶シリコン層と金属薄膜層との接触によって、チップ中心側に温接点部を、その周縁側に冷接点部を形成し、前記温接点部から導出された前記金属薄膜層を前記第１の絶縁膜上に這わせて隣接するｎ型多結晶シリコン層の前記冷接点部に接続させて、前記第１の絶縁膜上に直列接続した熱電素子列を形成し、かつ前記熱電素子列を覆う第２の絶縁膜上に赤外線吸収膜を形成したことを特徴とするサーモパイル型赤外線センサ。
【請求項４】
空洞部を有する単結晶シリコン基板に熱電素子を形成したサーモパイル型赤外線センサに於いて、
前記空洞部を覆う第１の絶縁膜上に、複数の第１のｎ型多結晶シリコン層が、
チップ中心から半径ｒ１の位置を起点として前記半径ｒ１より前記チップ外縁寄りの半径ｒ２までの間に形成される扇形パターンと、該扇形パターンの外縁に連接されて前記チップ外縁近傍まで半径方向に沿って帯状に延在する、前記半径ｒ２より前記チップ外縁寄りの半径ｒ３から前記チップ外縁側端部まで切り欠いた切欠部が設けられた、鉤型パターンと、からなる第１部分パターンと、
前記半径ｒ２の位置を起点として前記基板外縁近傍まで半径方向に沿って帯状に延在する、前記半径ｒ３から前記チップ外縁側端部まで切り欠いた切欠部が設けられた、鉤型の第２部分パターンと、
前記半径ｒ３の位置を起点として前記基板外縁近傍まで半径方向に沿って帯状に延在する第３部分パターンと、を有し、
前記第２部分パターンが、前記第１部分パターンの前記鉤型パターンに並列して配置され、且つ、前記第３部分パターンが、前記第１部分パターンの前記鉤型パターン及び前記第２部分パターンのそれぞれに設けられた前記切欠部に配置されて、各部分パターンが、それぞれ互いに噛み合わされて全方向に均等に広がる放射状に構成され、
前記第１のｎ型多結晶シリコン層と前記第１の絶縁膜とを覆う第２の絶縁膜を形成し、前記第２の絶縁膜上に、前記第１のｎ型多結晶シリコン層と同じパターン形状を有し、前記第１のｎ型多結晶シリコン層のパターンに対して円周方向に半ピッチずらしたパターンからなる複数の第２のｎ型多結晶シリコン層を形成し、前記第２のｎ型多結晶シリコン層上を覆う第３の絶縁膜を形成して、前記第１と第２のｎ型多結晶シリコン層上の前記第２と第３の絶縁膜に開口部を設け、前記開口部を介して金属薄膜層との接触によって前記第１と第２のｎ型多結晶シリコン層のチップ中心側に温接点部を、その周縁側に冷接点部をそれぞれ形成するとともに、前記温接点部と隣接するｎ型多結晶シリコン層の冷接点部とを前記金属薄膜層で交互に接続して、直列接続した熱電素子列を形成し、かつ前記熱電素子列上に絶縁膜を介して赤外線吸収膜を形成したことを特徴とするサーモパイル型赤外線センサ。
【請求項５】
前記単結晶シリコン基板の面方位が、（１００）面であることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のサーモパイル型赤外線センサ。
【請求項６】
チップ中心から放射状に配置された前記ｎ型多結晶シリコン層が、チップ周縁方向に広がった扇型パターンの組合せであることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載のサーモパイル型赤外線センサ。
【請求項７】
前記温接点部が、チップ中心から半径ｒ１〜ｒ３の同心円上に配置され、かつｒ１＜ｒ２＜ｒ３の関係であることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載のサーモパイル型赤外線センサ。
【請求項８】
前記熱電素子列上に設けられる赤外線吸収膜が、硼珪酸系ガラス、ポリイミド系樹脂、ビニル系樹脂又はアクリル系樹脂の一種からなることを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載のサーモパイル型赤外線センサ。
【請求項９】
前記熱電素子列を覆う絶縁膜が、ＰＳＧとＳｉＮとの２層の絶縁膜であることを特徴とする請求項１〜８の何れかに記載のサーモパイル型赤外線センサ。
【請求項１０】
前記第１の絶縁膜が、ＳｉＯ2とＳｉＮとの２層、又はＳｉＮをＳｉＯ2で挟んだ３層構造からなることを特徴とする請求項１〜９の何れかに記載のサーモパイル型赤外線センサ。
【請求項１１】
前記ｎ型多結晶シリコン層の周縁部が、温接点部、冷接点部を形成する部分を除いて、階段状に形成されていることを特徴とする請求項１〜１０の何れかに記載のサーモパイル型赤外線センサ。
【請求項１２】
前記ｎ型多結晶シリコン層の周縁断面がテーパ状であることを特徴とする請求項１〜１１の何れかに記載のサーモパイル型赤外線センサ。
【請求項１３】
前記ｎ型多結晶シリコン膜の抵抗率が、１〜１０ｍΩ・ｃｍであることを特徴とする請求項１〜１２の何れかに記載のサーモパイル型赤外線センサ。
【請求項１４】
前記熱電素子列を覆う絶縁膜が、ＳｉＯ2、ＳｉＮ、ＳｉＮＯ、ＰＳＧ（リンガラス）、Ａｌ2Ｏ3、サイアロンの少なくとも一種を含むことを特徴とする請求項１〜１３の何れかに記載のサーモパイル型赤外線センサ。
【請求項１５】
前記金属薄膜層が、Ａｌ，Ｃｒ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，ＮｉＣｒの少なくとも一種からなることを特徴とする請求項１〜１４の何れかに記載のサーモパイル型赤外線センサ。
【請求項１６】
前記赤外線吸収膜の表面が凹凸を有する縞状パターンであることを特徴とする請求項１〜１５の何れかに記載のサーモパイル型赤外線センサ。
【請求項１７】
請求項１〜１６の何れかに記載のサーモパイル型赤外線センサにおいて、
前記サーモパイル型赤外線センサを封入するパッケージのキャップ部分に形成した開口部に赤外線を透過させるフィルタ材からなるウインドウ材が設けられ、前記ウインドウ材が４角形または６角形であり、前記開口部の形状と前記ウインドウ材の形状が一致し、かつ前記開口部の各コーナ部に形成された切欠部が前記４角形または６角形の各辺の交点より外側に形成されていることを特徴とするサーモパイル型赤外線センサ。
【請求項１８】
請求項１〜１６の何れかに記載のサーモパイル型赤外線センサにおいて、
前記サーモパイル型赤外線センサを封入したパッケージのキャップ部分に形成した開口部に赤外線を透過させるフィルタ材からなるウインドウ材が設けられ、前記ウインドウ材が４角形または６角形であり、前記開口部の形状と前記ウインドウ材の形状が一致し、かつ前記開口部の各コーナ部に形成された凹部が形成され、前記凹部によって前記ウインド材を位置決めし保存することを特徴とするサーモパイル型赤外線センサ。
【請求項１９】
サーモパイル型赤外線センサの製造方法に於いて、
（イ）単結晶シリコン基板の両面に熱酸化、ＣＶＤ又はスパッタリングにより第１の絶縁膜を形成する第１の工程と、
（ロ）前記第１の絶縁膜表面上にＣＶＤ又はスパッタリングにより多結晶シリコン層を成膜する第２の工程と、
（ハ）前記多結晶シリコン層に不純物を拡散することにより抵抗率が１〜１０ｍΩ・ｃｍの範囲のｎ型多結晶シリコン層を形成する第３の工程と、
（ニ）前記ｎ型多結晶シリコン層をパターニングして、
チップ中心から半径ｒ１の位置を起点として前記半径ｒ１より前記チップ外縁寄りの半径ｒ２までの間に形成される扇形パターンと、該扇形パターンの外縁に連接されて前記チップ外縁近傍まで半径方向に沿って帯状に延在する、前記半径ｒ２より前記チップ外縁寄りの半径ｒ３から前記チップ外縁側端部まで切り欠いた切欠部が設けられた、鉤型パターンと、からなる第１部分パターンと、
前記半径ｒ２の位置を起点として前記基板外縁近傍まで半径方向に沿って帯状に延在する、前記半径ｒ３から前記チップ外縁側端部まで切り欠いた切欠部が設けられた、鉤型の第２部分パターンと、
前記半径ｒ３の位置を起点として前記基板外縁近傍まで半径方向に沿って帯状に延在する第３部分パターンと、を有し、
前記第２部分パターンが、前記第１部分パターンの前記鉤型パターンに並列して配置され、且つ、前記第３部分パターンが、前記第１部分パターンの前記鉤型パターン及び前記第２部分パターンのそれぞれに設けられた前記切欠部に配置されて、各部分パターンが、それぞれ互いに噛み合わされて全方向に均等に広がる放射状に構成される、
第１のパターンを形成する第４の工程と、
（ホ）前記第１のパターンを構成する複数の前記各部分パターンに分割されたｎ型多結晶シリコン層及び前記第１の絶縁膜上にＣＶＤ、ガラス塗布又はスパッタリングにより第２の絶縁膜を形成する第５の工程と、
（ヘ）前記第２の絶縁膜における温接点部及び冷接点部の各々に対応した部分に開口部を設ける第６の工程と、
（ト）前記第６の工程の後、スパッタリング又は蒸着により金属薄膜層を成膜する第７の工程と、
（チ）前記金属薄膜層をパターニングして、前記ｎ型多結晶シリコン層と前記金属薄膜層とを前記開口部でオーミック接触させて、温接点部と冷接点部とからなる各熱電素子を直列接続して、熱電素子列を形成する第８の工程と、
（リ）前記金属薄膜層と前記第２の絶縁膜上に第３の絶縁膜を形成し、かつチップ中央部に赤外線吸収膜を形成する第９の工程と、
（ヌ）前記単結晶シリコン基板の裏面の前記第１の絶縁膜に開口部を設けて、エッチングによって前記基板の裏面に空洞部を形成し、前記第１の絶縁膜を裏面から露出させる第１０の工程と、
を備えたことを特徴とするサーモパイル型赤外線センサの製造方法。
【請求項２０】
サーモパイル型赤外線センサの製造方法に於いて、
（イ）単結晶シリコン基板の両面に熱酸化、ＣＶＤ又はスパッタリングにより第１の絶縁膜を形成する第１の工程と、
（ロ）前記第１の絶縁膜上にＣＶＤ又はスパッタリングにより多結晶シリコン層を成膜する第２の工程と、
（ハ）前記多結晶シリコン層に不純物を拡散することにより抵抗率が１〜１０ｍΩ・ｃｍの範囲のｎ型多結晶シリコン層を形成する第３の工程と、
（ニ）前記ｎ型多結晶シリコン層を、その厚み方向に途中までパターニングして、
チップ中心から半径ｒ１の位置を起点として前記半径ｒ１より前記チップ外縁寄りの半径ｒ２までの間に形成される扇形パターンと、該扇形パターンの外縁に連接されて前記チップ外縁近傍まで半径方向に沿って帯状に延在する、前記半径ｒ２より前記チップ外縁寄りの半径ｒ３から前記チップ外縁側端部まで切り欠いた切欠部が設けられた、鉤型パターンと、からなるメサ状の第１部分パターンと、
前記半径ｒ２の位置を起点として前記基板外縁近傍まで半径方向に沿って帯状に延在する、前記半径ｒ３から前記チップ外縁側端部まで切り欠いた切欠部が設けられた、鉤型で且つメサ状の第２部分パターンと、
前記半径ｒ３の位置を起点として前記基板外縁近傍まで半径方向に沿って帯状に延在するメサ状の第３部分パターンと、を有し、
前記第２部分パターンが、前記第１部分パターンの前記鉤型パターンに並列して配置され、且つ、前記第３部分パターンが、前記第１部分パターンの前記鉤型パターン及び前記第２部分パターンのそれぞれに設けられた前記切欠部に配置されて、各部分パターンが、それぞれ互いに噛み合わされて全方向に均等に広がる放射状に構成される、
第１のパターンを形成する第４の工程と、
（ホ）前記第１のパターンが形成された前記ｎ型多結晶シリコン層を、前記第４の工程で形成した前記各部分パターンに相似したより大きい部分パターンによって、その厚み方向に前記第１の絶縁層までパターニングして、テーパの付いた階段状に形成された複数の部分パターンに分割されたｎ型多結晶シリコン層を形成する第５の工程と、
（ヘ）前記第５の工程の後の前記階段状ｎ型多結晶シリコン層上に第２の絶縁膜を形成し、温接点部及び冷接点部の各々に対応した部分の前記第２の絶縁膜に開口部を設ける第６の工程と、
（ト）前記第６の工程の後に、スパッタリング又は蒸着により金属薄膜層を成膜する第７の工程と、
（チ）前記金属薄膜層をパターニングして、前記階段状ｎ型多結晶シリコン層と前記金属薄膜層とを前記開口部でオーミック接触させて、温接点部と冷接点部とからなる各熱電素子を直列接続して、熱電素子列を形成する第８の工程とを備え、
（リ）前記第２の絶縁膜と前記金属薄膜層上に第３の絶縁膜を形成し、前記第３の絶縁膜上に赤外線吸収膜を形成する第９の工程と、
（ヌ）前記単結晶シリコン基板の裏面に空洞部を形成して、前記第１の絶縁膜を裏面から露出させる第１０の工程と、
を含むことを特徴とするサーモパイル型赤外線センサの製造方法。
【請求項２１】
サーモパイル型赤外線センサの製造方法に於いて、
（イ）単結晶シリコン基板の両面に熱酸化、ＣＶＤ又はスパッタリングにより第１の絶縁膜を形成する第１の工程と、
（ロ）前記第１の絶縁膜上にＣＶＤ又はスパッタリングにより第１の多結晶シリコン層を成膜する第２の工程と、
（ハ）前記第１の多結晶シリコン層をパターニングして、
チップ中心から半径ｒ１の位置を起点として前記半径ｒ１より前記チップ外縁寄りの半径ｒ２までの間に形成される扇形パターンと、該扇形パターンの外縁に連接されて前記チップ外縁近傍まで半径方向に沿って帯状に延在する、前記半径ｒ２より前記チップ外縁寄りの半径ｒ３から前記チップ外縁側端部まで切り欠いた切欠部が設けられた、鉤型パターンと、からなる第１部分パターンと、
前記半径ｒ２の位置を起点として前記基板外縁近傍まで半径方向に沿って帯状に延在する、前記半径ｒ３から前記チップ外縁側端部まで切り欠いた切欠部が設けられた、鉤型の第２部分パターンと、
前記半径ｒ３の位置を起点として前記基板外縁近傍まで半径方向に沿って帯状に延在する第３部分パターンと、を有し、
前記第２部分パターンが、前記第１部分パターンの前記鉤型パターンに並列して配置され、且つ、前記第３部分パターンが、前記第１部分パターンの前記鉤型パターン及び前記第２部分パターンのそれぞれに設けられた前記切欠部に配置されて、各部分パターンが、それぞれ互いに噛み合わされて全方向に均等に広がる放射状に構成される、第１のパターンを形成した後、
前記第１のパターンが形成された前記第１の多結晶シリコン層上に第２の多結晶シリコン層を成膜して、前記第１及び第２の多結晶シリコン層に不純物を拡散し、抵抗率が１〜１０ｍΩ・ｃｍの範囲の前記第１の多結晶シリコン層による第１のｎ型多結晶シリコン層と前記第２の多結晶シリコン層による第２のｎ型多結晶シリコン層とを形成する第３の工程と、
（ニ）前記第１及び第２のｎ型多結晶シリコン層が積層して構成された１つのｎ型多結晶シリコン層を、前記第３工程で形成した前記各部分パターンに相似したより大きい部分パターンによってパターニングして、テーパの付いた階段状に形成された複数の部分パターンに分割された前記ｎ型多結晶シリコン層を形成する第４の工程と、
（ホ）前記第４の工程の後、前記第２のパターンによるｎ型多結晶シリコン層上に第２の絶縁膜を形成し、温接点部と冷接点部の各々に対応した部分の前記第２の絶縁膜に開口部を設ける第５の工程と、
（ヘ）前記第５の工程の後、スパッタリング又は蒸着により金属薄膜層を成膜する第６の工程と、
（ト）前記金属薄膜層をパターニングして、前記ｎ型多結晶シリコン層と前記金属薄膜層とを前記開口部でオーミック接触させて、温接点部と冷接点部とを接続して直列接続した熱電素子列を形成する第７の工程とを備え、
（チ）前記第２の絶縁膜と前記金属薄膜層上に第３の絶縁膜を形成した後、前記第３の絶縁膜上に赤外線吸収膜を形成する第８の工程と、
（リ）前記単結晶シリコン基板の裏面に空洞部を形成して、前記第１の絶縁膜を裏面から露出させる第９の工程と、
を含むことを特徴とするサーモパイル型赤外線センサの製造方法。
【請求項２２】
サーモパイル型赤外線センサの製造方法に於いて、
（イ）単結晶シリコン基板の両面に熱酸化、ＣＶＤ又はスパッタリングにより第１の絶縁膜を形成する第１の工程と、
（ロ）前記第１の絶縁膜表面上にＣＶＤ又はスパッタリングにより第１の多結晶シリコン層を成膜する第２の工程と、
（ハ）前記第１の多結晶シリコン層に不純物を拡散することにより抵抗率が１〜１０ｍΩ・ｃｍの範囲の第１のｎ型多結晶シリコン層を形成する第３の工程と、
（ニ）前記ｎ型多結晶シリコン層をパターニングして、
チップ中心から半径ｒ１の位置を起点として前記半径ｒ１より前記チップ外縁寄りの半径ｒ２までの間に形成される扇形パターンと、該扇形パターンの外縁に連接されて前記チップ外縁近傍まで半径方向に沿って帯状に延在する、前記半径ｒ２より前記チップ外縁寄りの半径ｒ３から前記チップ外縁側端部まで切り欠いた切欠部が設けられた、鉤型パターンと、からなる第１部分パターンと、
前記半径ｒ２の位置を起点として前記基板外縁近傍まで半径方向に沿って帯状に延在する、前記半径ｒ３から前記チップ外縁側端部まで切り欠いた切欠部が設けられた、鉤型の第２部分パターンと、
前記半径ｒ３の位置を起点として前記基板外縁近傍まで半径方向に沿って帯状に延在する第３部分パターンと、を有し、
前記第２部分パターンが、前記第１部分パターンの前記鉤型パターンに並列して配置され、且つ、前記第３部分パターンが、前記第１部分パターンの前記鉤型パターン及び前記第２部分パターンのそれぞれに設けられた前記切欠部に配置されて、各部分パターンが、それぞれ互いに噛み合わされて全方向に均等に広がる放射状に構成される、
第１のパターンを形成する第４の工程と、
（ホ）前記第１のパターンを構成する複数の前記各部分パターンに分割されたｎ型多結晶シリコン層及び第１の絶縁膜上にＣＶＤ、ガラス塗布又はスパッタリングにより第２の絶縁膜を形成する第５の工程と、
（ヘ）前記第５の工程の後に、前記第２の絶縁膜上に第２の多結晶シリコン層を成膜し、前記第２の多結晶シリコン層に不純物を拡散することにより抵抗率が１〜１０ｍΩ・ｃｍの範囲の第２のｎ型多結晶シリコン層をドーピングして形成する第６の工程と、
（ト）前記第６の工程の後、前記第２のｎ型多結晶シリコン層をパターニングして、前記第１のｎ型多結晶シリコン層からなる第１のパターンに対して、円周方向に半ピッチずれた、前記第１のパターンと同一形状の第２のパターンを形成する第７の工程と、
（チ）パターニングされた前記第１及び第２のｎ型多結晶シリコン層上に第３の絶縁膜を形成し、温接点部及び冷接点部の各々に対応した部分の前記第２又は第３の絶縁膜に開口部を設ける第８の工程と、
（リ）前記第３の絶縁膜上に金属薄膜層を形成してパターニングし、前記開口部で前記第１と第２のｎ型多結晶シリコン層と前記金属薄膜層との接触によって形成される前記温接点部と冷接点部とを接続して熱電素子列を形成する第９の工程と、
（ヌ）前記第３の絶縁膜と前記金属薄膜層上に第４の絶縁膜を形成し、前記第４の絶縁膜上に赤外線吸収膜を形成する第１０の工程と、
（ル）前記単結晶シリコン基板の裏面に空洞部を形成して、前記第１の絶縁膜を裏面から露出させる第１１の工程と、
を含むことを特徴とするサーモパイル赤外線センサの製造方法。
【請求項２３】
サーモパイル型赤外線センサの製造方法に於いて、
（イ）単結晶シリコン基板の両面に熱酸化、ＣＶＤ又はスパッタリングにより第１の絶縁膜を形成する第１の工程と、
（ロ）前記第１の絶縁膜表面上にＣＶＤ又はスパッタリングにより第１の多結晶シリコンを成膜する第２の工程と、
（ハ）前記多結晶シリコンに不純物を拡散することにより抵抗率が１〜１０ｍΩ・ｃｍの範囲のｎ型多結晶シリコン層を形成する第３の工程と、
（ニ）前記ｎ型多結晶シリコン層をパターニングして、
チップ中心から半径ｒ１の位置を起点として前記半径ｒ１より前記チップ外縁寄りの半径ｒ２までの間に形成される扇形パターンと、該扇形パターンの外縁に連接されて前記チップ外縁近傍まで半径方向に沿って帯状に延在する、前記半径ｒ２より前記チップ外縁寄りの半径ｒ３から前記チップ外縁側端部まで切り欠いた切欠部が設けられた、鉤型パターンと、からなる第１部分パターンと、
前記半径ｒ２の位置を起点として前記基板外縁近傍まで半径方向に沿って帯状に延在する、前記半径ｒ３から前記チップ外縁側端部まで切り欠いた切欠部が設けられた、鉤型の第２部分パターンと、
前記半径ｒ３の位置を起点として前記基板外縁近傍まで半径方向に沿って帯状に延在する第３部分パターンと、を有し、
前記第２部分パターンが、前記第１部分パターンの前記鉤型パターンに並列して配置され、且つ、前記第３部分パターンが、前記第１部分パターンの前記鉤型パターン及び前記第２部分パターンのそれぞれに設けられた前記切欠部に配置されて、各部分パターンが、それぞれ互いに噛み合わされて全方向に均等に広がる放射状に構成される、
第１のパターンを形成する第４の工程と、
前記第１の絶縁膜及び前記第１のパターンが形成された前記ｎ型多結晶シリコン層上に金属薄膜層を成膜する第５の工程と、
（ホ）前記金属薄膜層をパターニングして、パターニングされた前記ｎ型多結晶シリコン層の前記温接点部と冷接点部を前記金属薄膜層との接触によって形成するとともに、前記金属薄膜層によって前記温接点部と冷接点部とを互いに接続して熱電素子列を形成する第６の工程と、
（ヘ）前記第１の絶縁膜、前記金属薄膜層と前記パターン化されたｎ型多結晶シリコン層上に絶縁膜を形成し、該絶縁膜上のチップ中央部に赤外線吸収膜を形成する第７の工程と、
（ト）前記基板をエッチングして空洞部を形成し、前記第１の絶縁膜を裏面から露出させる第８の工程と
を含むことを特徴とするサーモパイル型赤外線センサの製造方法。
【請求項２４】
前記熱電素子列上に形成される赤外線吸収膜が、硼珪酸系ガラス、ポリイミド系樹脂、ビニル系樹脂又はアクリル系樹脂の一種からなることを特徴とする請求項１９〜２３の何れかに記載のサーモパイル型赤外線センサの製造方法。
【請求項２５】
加熱工程を経て、前記赤外線吸収膜の表面を凹凸を有する縞状パターンとしたことを特徴とする請求項１９〜２４の何れかに記載のサーモパイル型赤外線センサの製造方法。
【請求項２６】
前記赤外線吸収膜の膜厚が１〜１５μｍであって、前記赤外線吸収膜の表面に１〜１０μｍの凹凸を形成したことを特徴とする請求項２５に記載のサーモパイル型赤外線センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、サーモパイル型赤外線センサ及びその製造方法に関し、詳しくはセンサの熱電対パターン構造を改善することによりＳ／Ｎ比の向上を図ったサーモパイル型赤外線センサ、及びその製造時の歩留まりを改善したサーモパイル型赤外線センサの製造方法に係るものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、熱型赤外線センサの熱平衡式は、次のように表すことができる。
【０００３】
【数１】
Ｃ・δＴ／ｄｔ＋Ｇ・δＴ＝Ｗ      ……（１）
【０００４】
ここで、Ｃは熱容量、δＴは受光部温度変化、Ｇは受光部と周囲との熱コンダクタンス、Ｗは受光パワーである。受光パワーＷが、Ｗ＝Ｗ0 ｅｘｐ（ｊωｔ）で変化するとき、δＴは下記のように表される。
【０００５】
【数２】
｜δＴ｜＝Ｗ0 ／Ｇ（１＋τ2 ω2 ）1/2 ……（２）
ここで、熱時定数τは次のように表される。
τ≡Ｃ／Ｇ                      ……（３）
【０００６】
上記式から熱型赤外線センサの応答性を大(熱時定数τを小)にするには、熱容量Ｃを小さくし、熱コンダクタンスＧを大きくする必要がある。しかし、Ｇを大きくすると同一受光パワーに対して受光部温度変化δＴが小さくなり、感度が低下する。従って、熱型赤外線センサの感度や応答性の向上を図るには、Ｇを小さくし、更にＣを小さくする必要がある。このような観点から、サーモパイル型赤外線センサの感度及び応答性は、温接点が配置された感熱部を数ミクロンの厚さからなるメンブレン構造とし、その熱容量Ｃ及び基板との熱コンダクタンスＧを小さくなるようにして、その熱的特性の向上を達成するようにしている。
【０００７】
また、サーモパイル等の熱電素子の性能指数Ｚは、次式で表すことができる。
【０００８】
【数３】
Ｚ＝α2 ・σ／λ∝ｍ*3/2 （μ／λL ）……（４）
但し、α  ：ゼーベック係数、σ：導電率、λ：熱伝導率
ｍ* ：電子又は正孔の有効質量、μ：キャリアの移動度
λL ：格子熱伝導率
【０００９】
すなわち、熱電素子の電気的性能を向上させるには、上式からゼーベック係数αを大きく、導電率σを大きく、そして熱伝導率λを小さくする必要があることが分かる。従って、熱電材料としては、金属に比較し性能指数Ｚの大きい半導体材料が用いられる。
【００１０】
一方、熱電材料としてのｎ型シリコンのゼーベック係数αは、以下のように表される。
【００１１】
【数４】
α＝（ＶF ／Ｔ＋２ｋ／ｑ）      ……（５）
但し、ＶF ：伝導帯の底とフェルミ準位の間のエネルギー差、
Ｔ  ：絶対温度、ｋ：ボルツマン定数、ｑ：電子の電荷
【００１２】
また、ＶF と導電率σの関係は、以下のように表される。
【００１３】
【数５】
σ＝ｑ・ｎ・μ                ……（６）
但し、ｎ：キャリア数、μ：キャリアの移動度
【００１４】
【数６】
ｎ＝Ｎｃ／［ｅｘｐ（ＶF ／ｋＴ）］    ……（７）
但し、Ｎｃ：伝導帯の実効状態密度
（参考文献，半導体デバイス、Ｓ．Ｍ．Ｓｚｅ著参照）
【００１５】
従って、導電率σは、以下のように表される。
【００１６】
【数７】
σ＝ｑ・Ｎｃ・μ／ｅｘｐ（ＶF ／ｋＴ）  …（８）
【００１７】
上式よりゼーベック係数αを大きくするためのに、ＶF を大きくしようとするとキャリア数が減少し、σが小さくなるというトレードオフの関係があることが分かる。また、単結晶シリコンのλは、シリコン原子が共有結合しているため、格子熱伝導率が非常に大きく支配的であるが、多結晶シリコンのように結晶性が悪くなると格子熱伝導率は小さくなる。そして、μも小さくなるためにσが低下するというトレードオフ関係にある。従って、熱電材料の性能パラメータとしては、不純物密度、結晶性、熱電素子サイズ、熱電対数等が挙げられ、それらのパラメータの最適設計を行う必要がある。
【００１８】
従来例１としては、単結晶シリコン基板上に半導体微細加工技術を用いて、ＳｉＯ2 、ＳｉＮ薄膜を積層し、熱電材料としてｐ型多結晶シリコン−Ａｕ／Ｃｒやｎ型多結晶シリコン−Ａｕ／Ｃｒの組み合わせを用いて、最後に基板をＥＤＰ（Ethylene  Diamine  Pyrocatechol）により異方性エッチすることにより空洞部を設け、感熱部を薄膜架橋構造にすることにより高感度化を図ったサーモパイルが記載されている。（文献：「A Silicon-Thermopile-Based Infrared Sensing Array for Use in Automated Manufacturing」（IEEE Trans. Electron Devicesvil.ED-３３ ｎo.１,pp7２-79,1986  参照）
【００１９】
また、図２１は、特開平３−１９１８３４号公報に開示された高感度化を図ったサーモパイルが開示されている。この従来例２のサーモパイルは、単結晶シリコン基板２０に、エピタキシャル層２１を設け、エピタキシャル層２１内にｐ型拡散層２２による熱電対材料を形成し、さらに絶縁物２３を挟んでその上にｎ型の多結晶シリコン層２４からなる熱電対材料を形成し、アルミニウム層２５により多結晶シリコン層２４と接続することによって、単結晶シリコン−アルミニウム−多結晶シリコンからなる多層のサーモパイル構造が開示されている。熱電材料を多層に構成することによって、単位面積当たりの熱電対数を増加させて高出力化と、チップサイズの小型化をはかったものである。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のサーモパイルは、以下に説明するような問題があった。従来例１のサーモパイルでは、単結晶シリコン基板上にＳｉＯ2 、ＳｉＮ薄膜を積層し、熱電材料としてＡｕ／Ｃｒとゼーベック係数が大きい多結晶シリコンを用いたものである。しかし、Ａｕは、熱伝導率が高いために、吸収された熱の散逸が大きく、受光部の温度上昇割合が十分ではない。すなわち、温度上昇値が高くとれない欠点がある。
【００２１】
さらに、熱電材料として、ｐ型多結晶シリコンを用いている。しかし、ｐ型多結晶シリコンの多数キャリアである正孔は、移動度が小さいために、抵抗率が高い。従って、出力電圧とジョンソンノイズのＳ／Ｎ比が低くなるため、非接触温度計のセンサとして用いたとき精度が悪い欠点があった。また、熱電材料である多結晶シリコン層のパターンが、薄膜架橋部全体に分布し、均一に配置（レイアウト）されていないため、異方性エッチ時にメンブレンに反りやクラックが入りやすく歩留りが低下するという問題点があった。
【００２２】
一方、従来例２のサーモパイルでは、上記の問題を解決し、かつ高感度化を図ったものである。熱電材料に単結晶シリコンと多結晶シリコンを用いて、各々をｐ型とｎ型とにし、起電力の極性を反対にすることによって高出力化を図っている。しかしながら、このサーモパイルでは、熱電材料の片方に単結晶シリコン基板の表面に拡散したｐ型拡散層を用いているため、その層を含む厚み５μｍ以上からなるエピタキシャル層と単結晶シリコン層を残す必要があった。
【００２３】
単結晶シリコンは、不純物濃度を制御することによって、ゼーベック係数を大きくすることができ、また熱伝導率も他の材料に比べて高い特徴を有する。従って、厚み１０μｍ程度に薄くしても吸収膜からなる感温部内の温接点部と基板上に形成された冷接点部の熱絶縁が悪く、単位赤外線入射パワーあたりの感温部の温度上昇は低くなり、結果的に出力電圧が低くなるという問題があった。
【００２４】
さらに、熱電材料にｐ型とｎ型多結晶シリコンを使用して見かけ上、起電力を増加させても、前述したようにｐ型多結晶シリコン層の多数キャリアである正孔は、電子に比較し移動度が小さいため抵抗率が高く、ｎ型シリコンに比較し出力電圧とジョンソンノイズとのＳ／Ｎ比が低く、前例と同様に非接触温度計のセンサとして用いたとき精度が低くなる欠点があった。
【００２５】
さらに、多結晶シリコンのパターンレイアウトが薄膜メンブレン部全体にレイアウトしていないため、異方性エッチ時の応力集中によってクラックが入りやすく、歩留りが低くなるという問題点や、不純物は、濃度の最適化が開示されてなく、サーモパイルセンサとしてのＳ／Ｎ比が高く取れないという問題点があった。
【００２６】
本発明は、上述のような課題に鑑みなされたものであり、出力電圧−ジョンソンノイズのＳ／Ｎ比が向上し、平坦で強固なメンブレン構造で形成され、赤外線吸収特性や製造時の歩留りが改善された安価なサーモパイル型赤外線センサ及びその製造方法を提供することを目的とするものである。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記問題点を解決するためになされた。
【００３０】
請求項１の発明は、空洞部を有する単結晶シリコン基板に熱電素子を形成したサーモパイル型赤外線センサに於いて、
前記空洞部を覆う第１の絶縁膜上に、複数のｎ型多結晶シリコン層が、
チップ中心から半径ｒ１の位置を起点として前記半径ｒ１より前記チップ外縁寄りの半径ｒ２までの間に形成される扇形パターンと、該扇形パターンの外縁に連接されて前記チップ外縁近傍まで半径方向に沿って帯状に延在する、前記半径ｒ２より前記チップ外縁寄りの半径ｒ３から前記チップ外縁側端部まで切り欠いた切欠部が設けられた、鉤型パターンと、からなる第１部分パターンと、
前記半径ｒ２の位置を起点として前記基板外縁近傍まで半径方向に沿って帯状に延在する、前記半径ｒ３から前記チップ外縁側端部まで切り欠いた切欠部が設けられた、鉤型の第２部分パターンと、
前記半径ｒ３の位置を起点として前記基板外縁近傍まで半径方向に沿って帯状に延在する第３部分パターンと、を有し、
前記第２部分パターンが、前記第１部分パターンの前記鉤型パターンに並列して配置され、且つ、前記第３部分パターンが、前記第１部分パターンの前記鉤型パターン及び前記第２部分パターンのそれぞれに設けられた前記切欠部に配置されて、各部分パターンが、それぞれ互いに噛み合わされて全方向に均等に広がる放射状に構成され、
前記ｎ型多結晶シリコン層と前記第１の絶縁膜とを覆う第２の絶縁膜に開口部を設け、前記開口部を介して前記ｎ型多結晶シリコン層と金属薄膜層との接触によって、チップ中心側に温接点部を、その周縁側に冷接点をそれぞれ形成し、前記温接点部と隣接する前記ｎ型多結晶シリコン層の冷接点部とを前記金属薄膜層で交互に接続して、前記第１の絶縁膜上に直列接続した熱電素子列を形成し、かつ前記熱電素子列上に絶縁膜を介して赤外線吸収膜を形成したことを特徴とするサーモパイル型赤外線センサである。
【００３１】
また、請求項２の発明は、空洞部を有する単結晶シリコン基板に熱電素子を形成したサーモパイル型赤外線センサに於いて、
（イ）前記単結晶シリコン基板に設けられた空洞部を覆う第１の絶縁膜と、
（ロ）前記第１の絶縁膜上に設けられ、
チップ中心から半径ｒ１の位置を起点として前記半径ｒ１より前記チップ外縁寄りの半径ｒ２までの間に形成される扇形パターンと、該扇形パターンの外縁に連接されて前記チップ外縁近傍まで半径方向に沿って帯状に延在する、前記半径ｒ２より前記チップ外縁寄りの半径ｒ３から前記チップ外縁側端部まで切り欠いた切欠部が設けられた、鉤型パターンと、からなる第１部分パターンと、
前記半径ｒ２の位置を起点として前記基板外縁近傍まで半径方向に沿って帯状に延在する、前記半径ｒ３から前記チップ外縁側端部まで切り欠いた切欠部が設けられた、鉤型の第２部分パターンと、
前記半径ｒ３の位置を起点として前記基板外縁近傍まで半径方向に沿って帯状に延在する第３部分パターンと、を有し、
前記第２部分パターンが、前記第１部分パターンの前記鉤型パターンに並列して配置され、且つ、前記第３部分パターンが、前記第１部分パターンの前記鉤型パターン及び前記第２部分パターンのそれぞれに設けられた前記切欠部に配置されて、各部分パターンが、それぞれ互いに噛み合わされて全方向に均等に広がる放射状に構成された、複数のｎ型多結晶シリコン層と、
（ハ）前記ｎ型多結晶シリコン層と前記第１の絶縁膜上に形成した第２の絶縁膜と、
（ニ）複数のｎ型多結晶シリコン層のチップ中心側と周縁側とにそれぞれ温接点部と冷接点部とを形成するために、前記第２の絶縁膜に形成した開口部と、
（ホ）前記開口部を介して前記ｎ型多結晶シリコン層と接触させて前記温接点部と冷接点部とを形成するための金属薄膜層と、
（ヘ）前記温接点部と隣接する前記ｎ型多結晶シリコン層の冷接点部とを前記金属薄膜層で交互に接続して形成した、直列接続した熱電素子列と、
（ト）前記第２の絶縁膜上と前記金属薄膜層上に形成した第３の絶縁膜と、
（チ）前記温接点部を覆うように前記第３の絶縁膜上に形成される赤外線吸収膜と、
（リ）前記直列接続した熱電素子列の終端部に形成される電極パッド部と、
を設けたことを特徴とするサーモパイル型赤外線センサである。
【００３２】
請求項１又は２の発明では、ｐ型シリコンの多数キャリアである正孔に比較し移動度の高い電子を多数キャリアに持つｎ型多結晶シリコン層を熱電材料として用い、不純物濃度と多結晶シリコン膜形成時の成膜温度を制御し結晶性を制御することによって、格子熱伝導率を小さくし、ゼーベック係数αと導電率σを最適化させたものであり、熱電材料をｎ型多結晶シリコン層で構成したので、ｐ型に比較しキャリアとなる電子の移動度が大きく、同じゼーベック係数でも抵抗率が低いために、従来と比較し出力電圧−ジョンソンノイズのＳ／Ｎ比の向上がはかれる。また、ｎ型多結晶シリコン膜のパターンレイアウトを放射状のストライプパターンとしてメンブレン部全体に配置し、さらに温接点部を放射状のストライプパターンの３つの同心円上部分に設けた構造にすることで、多結晶シリコン層に起因するメンブレン部内の応力を分散・緩和して、メンブレン部に発生するクラックや反りを減少させて異方性エッチ時の歩留りを改善することができる。また、各熱電素子を構成する多結晶シリコン層の抵抗を低くできるとともに、入射赤外線によるメンブレン上の高温度になる部分が、中心付近では円形に分布しており、出力電圧を効率よく取り出せるので、Ｓ／Ｎ比の優れた赤外線センサが得られる。
【００３３】
また、請求項３の発明は、空洞部を有する単結晶シリコン基板に熱電素子を形成したサーモパイル型赤外線センサに於いて、
前記空洞部を覆う第１の絶縁膜上に、複数のｎ型多結晶シリコン層が、
チップ中心から半径ｒ１の位置を起点として前記半径ｒ１より前記チップ外縁寄りの半径ｒ２までの間に形成される扇形パターンと、該扇形パターンの外縁に連接されて前記チップ外縁近傍まで半径方向に沿って帯状に延在する、前記半径ｒ２より前記チップ外縁寄りの半径ｒ３から前記チップ外縁側端部まで切り欠いた切欠部が設けられた、鉤型パターンと、からなる第１部分パターンと、
前記半径ｒ２の位置を起点として前記基板外縁近傍まで半径方向に沿って帯状に延在する、前記半径ｒ３から前記チップ外縁側端部まで切り欠いた切欠部が設けられた、鉤型の第２部分パターンと、
前記半径ｒ３の位置を起点として前記基板外縁近傍まで半径方向に沿って帯状に延在する第３部分パターンと、を有し、
前記第２部分パターンが、前記第１部分パターンの前記鉤型パターンに並列して配置され、且つ、前記第３部分パターンが、前記第１部分パターンの前記鉤型パターン及び前記第２部分パターンのそれぞれに設けられた前記切欠部に配置されて、各部分パターンが、それぞれ互いに噛み合わされて全方向に均等に広がる放射状に構成され、
前記ｎ型多結晶シリコン層と金属薄膜層との接触によって、チップ中心側に温接点部を、その周縁側に冷接点部を形成し、前記温接点部から導出された前記金属薄膜層を前記第１の絶縁膜上に這わせて隣接するｎ型多結晶シリコン層の前記冷接点部に接続させて、前記第１の絶縁膜上に直列接続した熱電素子列を形成し、かつ前記熱電素子列を覆う第２の絶縁膜上に赤外線吸収膜を形成したことを特徴とするサーモパイル型赤外線センサである。
【００３４】
この発明では、温接点部と冷接点部とを接続する金属薄膜層を、前記第１の絶縁膜上に形成することによって、前記第２の絶縁膜と、前記絶縁膜に形成される開口部を必要としないために、工数の削減が可能である。
【００３５】
また、請求項４の発明は、空洞部を有する単結晶シリコン基板に熱電素子を形成したサーモパイル型赤外線センサに於いて、
前記空洞部を覆う第１の絶縁膜上に、複数の第１のｎ型多結晶シリコン層が、
チップ中心から半径ｒ１の位置を起点として前記半径ｒ１より前記チップ外縁寄りの半径ｒ２までの間に形成される扇形パターンと、該扇形パターンの外縁に連接されて前記チップ外縁近傍まで半径方向に沿って帯状に延在する、前記半径ｒ２より前記チップ外縁寄りの半径ｒ３から前記チップ外縁側端部まで切り欠いた切欠部が設けられた、鉤型パターンと、からなる第１部分パターンと、
前記半径ｒ２の位置を起点として前記基板外縁近傍まで半径方向に沿って帯状に延在する、前記半径ｒ３から前記チップ外縁側端部まで切り欠いた切欠部が設けられた、鉤型の第２部分パターンと、
前記半径ｒ３の位置を起点として前記基板外縁近傍まで半径方向に沿って帯状に延在する第３部分パターンと、を有し、
前記第２部分パターンが、前記第１部分パターンの前記鉤型パターンに並列して配置され、且つ、前記第３部分パターンが、前記第１部分パターンの前記鉤型パターン及び前記第２部分パターンのそれぞれに設けられた前記切欠部に配置されて、各部分パターンが、それぞれ互いに噛み合わされて全方向に均等に広がる放射状に構成され、
前記第１のｎ型多結晶シリコン層と前記第１の絶縁膜とを覆う第２の絶縁膜を形成し、前記第２の絶縁膜上に、前記第１のｎ型多結晶シリコン層と同じパターン形状を有し、前記第１のｎ型多結晶シリコン層のパターンに対して円周方向に半ピッチずらしたパターンからなる複数の第２のｎ型多結晶シリコン層を形成し、前記第２のｎ型多結晶シリコン層上を覆う第３の絶縁膜を形成して、前記第１と第２のｎ型多結晶シリコン層上の前記第２と第３の絶縁膜に開口部を設け、前記開口部を介して金属薄膜層との接触によって前記第１と第２のｎ型多結晶シリコン層のチップ中心側に温接点部を、その周縁側に冷接点部をそれぞれ形成するとともに、前記温接点部と隣接するｎ型多結晶シリコン層の冷接点部とを前記金属薄膜層で交互に接続して、直列接続した熱電素子列を形成し、かつ前記熱電素子列上に絶縁膜を介して赤外線吸収膜を形成したことを特徴とするサーモパイル型赤外線センサである。
【００３６】
この発明では、１層構造の場合と同数のｎ型多結晶シリコン層のパターンレイアウトを２層構造にすることによって、ｎ型多結晶シリコン層の面積を広くすることができるので、多結晶シリコン層の抵抗を低くすることができる。その結果、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。
【００３７】
また、請求項５の発明は、前記単結晶シリコン基板の面方位が、（１００）面であることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のサーモパイル型赤外線センサであり、この発明では、単結晶シリコン基板の面方位が、（１００）面であるので、異方性エッチングによる空洞部の形成に有効である。
【００３８】
また、請求項６の発明は、チップ中心から放射状に配置された前記ｎ型多結晶シリコン層が、チップ周縁方向に広がった扇型パターンの組合せであることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載のサーモパイル型赤外線センサであり、この発明では、メンブレン部の面積を効率よく使用するために、円形平面に、互いに噛み合うようにｎ型多結晶シリコン膜のパターンの幅を広くとれるので、温接点部と冷接点部間のｎ型多結晶シリコン膜の抵抗を低くできる。従って、サーモパイル素子の出力電圧−ジョンソンノイズ（Ｓ／Ｎ）比を高くすることができる。また、メンブレンの全面にｎ型多結晶シリコン膜が形成されるので、ストレス等に強い構造とすることができる。
【００３９】
また、請求項７の発明は、前記温接点部が、チップ中心から半径ｒ１〜ｒ３の同心円上に配置され、かつｒ１＜ｒ２＜ｒ３の関係であることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載のサーモパイル型赤外線センサである。
【００４０】
この発明では、熱電素子の温接点部を同心円に配置することによって、各熱電素子を構成する多結晶シリコン層の抵抗を低くできるとともに、入射赤外線によるメンブレン上の高温度になる部分が、中心部付近では円形に分布しているために、出力電圧を効率よく取り出せるので、Ｓ／Ｎ比の優れた赤外線センサが得られる。
【００４１】
また、請求項８の発明は、前記熱電素子列上に設けられる赤外線吸収膜が、硼珪酸系ガラス、ポリイミド系樹脂、ビニル系樹脂又はアクリル系樹脂の一種からなることを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載のサーモパイル型赤外線センサである。
【００４２】
この発明では、例えば硼珪酸系ガラスからなるガラス絶縁膜をアニールして一度溶融させることによりピンホールを減少させることができ、しかも硼珪酸系ガラスであるので、赤外線が吸収される波長領域を拡大することができる。また、樹脂の場合、顔料やカーボン粉末を添加することによって、赤外線吸収率や吸収される波長域が拡大できるので、赤外線センサの感度を向上させることができる。
【００４３】
また、請求項９の発明は、前記熱電素子列を覆う絶縁膜が、ＰＳＧとＳｉＮとの２層の絶縁膜であることを特徴とする請求項１〜８の何れかに記載のサーモパイル型赤外線センサであり、この発明では、メンブレン部のストレスを緩和することができる。
【００４４】
また、請求項１０の発明は、前記第１の絶縁膜が、ＳｉＯ2とＳｉＮとの２層、又はＳｉＮをＳｉＯ2で挟んだ３層構造からなることを特徴とする請求項１〜９の何れかに記載のサーモパイル型赤外線センサであり、この発明では、ＳｉＯ2 とＳｉＮを適宜に組み合わせることによって、メンブレン部のストレスの緩和がされるとともに、空洞部形成時のエッチストップ層として使用できる。
【００４５】
また、請求項１１の発明は、前記ｎ型多結晶シリコン層の周縁部が、温接点部、冷接点部を形成する部分を除いて、階段状に形成されていることを特徴とする請求項１〜１０の何れかに記載のサーモパイル型赤外線センサである。
この発明では、ｎ型多結晶シリコン膜のパターンエッジ形状を階段状にすることによって、ステップカバレッジの問題が解決し、多結晶シリコン膜と電気的に接触する金属薄膜層の膜厚を薄くすることが可能となる。それによって金属薄膜層の応力が低減されるため、平坦なメンブレンの製造が容易になり、歩留まりが向上する。
【００４６】
また、請求項１２の発明は、前記ｎ型多結晶シリコン層の周縁断面がテーパ状であることを特徴とする請求項１〜１１の何れかに記載のサーモパイル型赤外線センサである。
【００４７】
この発明では、ｎ型多結晶シリコン層のパターンエッジ形状をテーパ状にすることによって、ステップカバレッジの問題が解決できた結果、温接点部と冷接点部間を接続する金属薄膜層の断線が無くなるとともに金属薄膜層の膜厚を薄くできるので、金属薄膜層によって生じる応力を低減でき、平坦なメンブレン部の製造が容易となり歩留まりが向上する。
【００４８】
また、請求項１３の発明は、前記ｎ型多結晶シリコン層の抵抗率が、１〜１０ｍΩ・ｃｍであることを特徴とする請求項１〜１２の何れかに記載のサーモパイル型赤外線センサである。
【００４９】
この発明では、ｎ型多結晶シリコン膜の抵抗率を１〜１０ｍΩ・ｃｍの範囲にすることによって、ゼーベック係数と電気抵抗値とのトレードオフの関係の最適化をすることが可能となる。すなわち、ｎ型多結晶シリコン層の抵抗率が１ｍΩ・ｃｍよりも小さい場合は、ゼーベック係数が小さくなり実用となる出力電圧が得られないし、１０ｍΩ・ｃｍ以上の場合は、ゼーベック係数は大きくなるがゼーベック係数の温度係数とジョンソンノイズも大きくなってＳ／Ｎ比が低下する欠点があり、ｎ型多結晶シリコン膜の抵抗率は１〜１0 ｍΩ・ｃｍの範囲が好適である。
【００５０】
また、請求項１４の発明は、前記熱電素子列を覆う絶縁膜が、ＳｉＯ2，ＳｉＮ、ＳｉＮＯ、ＰＳＧ（リンガラス）、Ａｌ2Ｏ3、サイアロンの少なくとも一種を含むことを特徴とする請求項１〜１３の何れかに記載のサーモパイル型赤外線センサである。
【００５１】
この発明では、パッシベーション膜として成膜したＳｉＯ2 、ＳｉＮ又はＳｉＮＯを適宜組み合わせて用いることにより、気密性が高くかつメンブレン部に加わる応力を緩和させ、平坦なメンブレン部を作製することができる。さらに、ＰＳＧ（リンガラス）、Ａｌ2 Ｏ3 、サイアロンの少なくとも一種を用い、さらに硼珪酸系ガラスを形成することで、メンブレン部に加わる応力を緩和させることができる。
【００５２】
また、請求項１５の発明は、前記金属薄膜が、Ａｌ，Ｃｒ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，ＮｉＣｒの少なくとも一種からなることを特徴とする請求項１〜１４の何れかに記載のサーモパイル型赤外線センサである。
【００５３】
この発明では、ｎ型多結晶シリコン層と接触させて配線する金属薄膜層の材料として、下地絶縁層のＳｉＯ2 との密着性が良くかつ熱伝導率が小さい、Ａｌ，Ｃｒ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ及びこれらの合金，又はＮｉＣｒの内のどれか一種を使用することにより、量産性に富みかつ感熱部からの熱の放散を小さく、感熱部の温度上昇を高くとることが可能になる。
【００５４】
また、請求項１６の発明は、前記赤外線吸収膜の表面が凹凸を有する縞状パターンであることを特徴とする請求項１〜１５の何れかに記載のサーモパイル型赤外線センサである。
この発明では、赤外線吸収膜の凹凸を形成することで、赤外線の吸収率を低下させることによって吸収率を向上させるようにしたものである。
【００５５】
また、請求項１７の発明は、請求項１〜１６の何れかに記載のサーモパイル型赤外線センサにおいて、
前記サーモパイル型赤外線センサをパッケージに封入して、前記パッケージのキャップ部分に形成した開口部に赤外線を透過させるフィルタ材からなるウインドウ材が設けられ、前記ウインドウ材が４角形または６角形であり、前記開口部の形状と前記ウインドウ材の形状が一致し、かつ前記開口部の各コーナ部に形成された切欠部が前記４角形または６角形の各辺の交点より外側に形成されていることを特徴とするサーモパイル型赤外線センサである。
【００５６】
また、請求項１８の発明は、請求項１〜１６の何れかに記載のサーモパイル型赤外線センサにおいて、
前記サーモパイル型赤外線センサをパッケージに封入して、前記パッケージのキャップ部分に形成した開口部に赤外線を透過させるフィルタ材からなるウインドウ材が設けられ、前記ウインドウ材が４角形または６角形であり、前記開口部の形状と前記ウインドウ材の形状が一致し、かつ前記開口部の各コーナ部に形成された凹部が形成され、前記凹部によって前記ウインド材を位置決めし保存することを特徴とするサーモパイル型赤外線センサである。
【００５７】
請求項１７の発明では、パッケージのキャップに設けた開口部にウインドウ材の形状を一致させて、ウインドウ材を開口部に嵌挿させて固着したものであり、ウインドウ材のコーナ部が嵌挿される開口部に湾曲した切欠部を形成して、コーナ部が切欠部内に嵌入するようにして、隙間を可能な限り小さくしたものである。また、請求項１８の発明では、開口部裏面の四隅に外側に突出する凹部を形成して、ウインドウ材を開口部に嵌入させて、かつウインドウ材の四隅を凹部の底面に当接させて、ウインドウ材とキャップとを接着することで、キャップをウインドウ材に強固に固着することができる。また、ウインドウ材とキャップの厚さ方向の位置合わせが正確にできるので、ウインドウ材とキャップ表面を面一とすることが可能できる。
【００５８】
また、請求項１９の発明は、サーモパイル型赤外線センサの製造方法に於いて、
（イ）単結晶シリコン基板の両面に熱酸化、ＣＶＤ又はスパッタリングにより第１の絶縁膜を形成する第１の工程と、
（ロ）前記第１の絶縁膜表面上にＣＶＤ又はスパッタリングにより多結晶シリコン層を成膜する第２の工程と、
（ハ）前記多結晶シリコン層に不純物を拡散することにより抵抗率が１〜１０ｍΩ・ｃｍの範囲のｎ型多結晶シリコン層を形成する第３の工程と、
（ニ）前記ｎ型多結晶シリコン層をパターニングして、
チップ中心から半径ｒ１の位置を起点として前記半径ｒ１より前記チップ外縁寄りの半径ｒ２までの間に形成される扇形パターンと、該扇形パターンの外縁に連接されて前記チップ外縁近傍まで半径方向に沿って帯状に延在する、前記半径ｒ２より前記チップ外縁寄りの半径ｒ３から前記チップ外縁側端部まで切り欠いた切欠部が設けられた、鉤型パターンと、からなる第１部分パターンと、
前記半径ｒ２の位置を起点として前記基板外縁近傍まで半径方向に沿って帯状に延在する、前記半径ｒ３から前記チップ外縁側端部まで切り欠いた切欠部が設けられた、鉤型の第２部分パターンと、
前記半径ｒ３の位置を起点として前記基板外縁近傍まで半径方向に沿って帯状に延在する第３部分パターンと、を有し、
前記第２部分パターンが、前記第１部分パターンの前記鉤型パターンに並列して配置され、且つ、前記第３部分パターンが、前記第１部分パターンの前記鉤型パターン及び前記第２部分パターンのそれぞれに設けられた前記切欠部に配置されて、各部分パターンが、それぞれ互いに噛み合わされて全方向に均等に広がる放射状に構成される、
第１のパターンを形成する第４の工程と、
（ホ）前記第１のパターンを構成する複数の前記各部分パターンに分割されたｎ型多結晶シリコン層及び前記第１の絶縁膜上にＣＶＤ、ガラス塗布又はスパッタリングにより第２の絶縁膜を形成する第５の工程と、
（ヘ）前記第２の絶縁膜における温接点部及び冷接点部の各々に対応した部分に開口部を設ける第６の工程と、
（ト）前記第６の工程の後、スパッタリング又は蒸着により金属薄膜層を成膜する第７の工程と、
（チ）前記金属薄膜層をパターニングして、前記ｎ型多結晶シリコン層と前記金属薄膜層とを前記開口部でオーミック接触させて、温接点部と冷接点部とからなる各熱電素子を直列接続して、熱電素子列を形成する第８の工程と、
（リ）前記金属薄膜層と前記第２の絶縁膜上に第３の絶縁膜を形成し、かつチップ中央部に赤外線吸収膜を形成する第９の工程と、
（ヌ）前記単結晶シリコン基板の裏面の前記第１の絶縁膜に開口部を設けて、エッチングによって前記基板の裏面に空洞部を形成し、前記第１の絶縁膜を裏面から露出させる第１０の工程と、
を備えたことを特徴とするサーモパイル型赤外線センサの製造方法である。
【００５９】
また、請求項２０の発明は、サーモパイル型赤外線センサの製造方法に於いて、
（イ）単結晶シリコン基板の両面に熱酸化、ＣＶＤ又はスパッタリングにより第１の絶縁膜を形成する第１の工程と、
（ロ）前記第１の絶縁膜上にＣＶＤ又はスパッタリングにより多結晶シリコン層を成膜する第２の工程と、
（ハ）前記多結晶シリコン層に不純物を拡散することにより抵抗率が１〜１０ｍΩ・ｃｍの範囲のｎ型多結晶シリコン層を形成する第３の工程と、
（ニ）前記ｎ型多結晶シリコン層を、その厚み方向に途中までパターニングして、
チップ中心から半径ｒ１の位置を起点として前記半径ｒ１より前記チップ外縁寄りの半径ｒ２までの間に形成される扇形パターンと、該扇形パターンの外縁に連接されて前記チップ外縁近傍まで半径方向に沿って帯状に延在する、前記半径ｒ２より前記チップ外縁寄りの半径ｒ３から前記チップ外縁側端部まで切り欠いた切欠部が設けられた、鉤型パターンと、からなるメサ状の第１部分パターンと、
前記半径ｒ２の位置を起点として前記基板外縁近傍まで半径方向に沿って帯状に延在する、前記半径ｒ３から前記チップ外縁側端部まで切り欠いた切欠部が設けられた、鉤型で且つメサ状の第２部分パターンと、
前記半径ｒ３の位置を起点として前記基板外縁近傍まで半径方向に沿って帯状に延在するメサ状の第３部分パターンと、を有し、
前記第２部分パターンが、前記第１部分パターンの前記鉤型パターンに並列して配置され、且つ、前記第３部分パターンが、前記第１部分パターンの前記鉤型パターン及び前記第２部分パターンのそれぞれに設けられた前記切欠部に配置されて、各部分パターンが、それぞれ互いに噛み合わされて全方向に均等に広がる放射状に構成される、
第１のパターンを形成する第４の工程と、
（ホ）前記第１のパターンが形成された前記ｎ型多結晶シリコン層を、前記第４の工程で形成した前記各部分パターンに相似したより大きい部分パターンによって、その厚み方向に前記第１の絶縁層までパターニングして、テーパの付いた階段状に形成された複数の部分パターンに分割されたｎ型多結晶シリコン層を形成する第５の工程と、
（ヘ）前記第５の工程の後の前記階段状ｎ型多結晶シリコン層上に第２の絶縁膜を形成し、温接点部及び冷接点部の各々に対応した部分の前記第２の絶縁膜に開口部を設ける第６の工程と、
（ト）前記第６の工程の後に、スパッタリング又は蒸着により金属薄膜層を成膜する第７の工程と、
（チ）前記金属薄膜層をパターニングして、前記階段状ｎ型多結晶シリコン層と前記金属薄膜層とを前記開口部でオーミック接触させて、温接点部と冷接点部とからなる各熱電素子を直列接続して、熱電素子列を形成する第８の工程とを備え、
（リ）前記第２の絶縁膜と前記金属薄膜層上に第３の絶縁膜を形成し、前記第３の絶縁膜上に赤外線吸収膜を形成する第９の工程と、
（ヌ）前記単結晶シリコン基板の裏面に空洞部を形成して、前記第１の絶縁膜を裏面から露出させる第１０の工程と、
を含むことを特徴とするサーモパイル型赤外線センサの製造方法である。
【００６０】
また、請求項２１の発明は、サーモパイル型赤外線センサの製造方法に於いて、
（イ）単結晶シリコン基板の両面に熱酸化、ＣＶＤ又はスパッタリングにより第１の絶縁膜を形成する第１の工程と、
（ロ）前記第１の絶縁膜上にＣＶＤ又はスパッタリングにより第１の多結晶シリコン層を成膜する第２の工程と、
（ハ）前記第１の多結晶シリコン層をパターニングして、
チップ中心から半径ｒ１の位置を起点として前記半径ｒ１より前記チップ外縁寄りの半径ｒ２までの間に形成される扇形パターンと、該扇形パターンの外縁に連接されて前記チップ外縁近傍まで半径方向に沿って帯状に延在する、前記半径ｒ２より前記チップ外縁寄りの半径ｒ３から前記チップ外縁側端部まで切り欠いた切欠部が設けられた、鉤型パターンと、からなる第１部分パターンと、
前記半径ｒ２の位置を起点として前記基板外縁近傍まで半径方向に沿って帯状に延在する、前記半径ｒ３から前記チップ外縁側端部まで切り欠いた切欠部が設けられた、鉤型の第２部分パターンと、
前記半径ｒ３の位置を起点として前記基板外縁近傍まで半径方向に沿って帯状に延在する第３部分パターンと、を有し、
前記第２部分パターンが、前記第１部分パターンの前記鉤型パターンに並列して配置され、且つ、前記第３部分パターンが、前記第１部分パターンの前記鉤型パターン及び前記第２部分パターンのそれぞれに設けられた前記切欠部に配置されて、各部分パターンが、それぞれ互いに噛み合わされて全方向に均等に広がる放射状に構成される、第１のパターンを形成した後、
前記第１のパターンが形成された前記第１の多結晶シリコン層上に第２の多結晶シリコン層を成膜して、前記第１及び第２の多結晶シリコン層に不純物を拡散し、抵抗率が１〜１０ｍΩ・ｃｍの範囲の前記第１の多結晶シリコン層による第１のｎ型多結晶シリコン層と前記第２の多結晶シリコン層による第２のｎ型多結晶シリコン層とを形成する第３の工程と、
（ニ）前記第１及び第２のｎ型多結晶シリコン層が積層して構成された１つのｎ型多結晶シリコン層を、前記第３工程で形成した前記各部分パターンに相似したより大きい部分パターンによってパターニングして、テーパの付いた階段状に形成された複数の部分パターンに分割された前記ｎ型多結晶シリコン層を形成する第４の工程と、
（ホ）前記第４の工程の後、前記第２のパターンによるｎ型多結晶シリコン層上に第２の絶縁膜を形成し、温接点部と冷接点部の各々に対応した部分の前記第２の絶縁膜に開口部を設ける第５の工程と、
（ヘ）前記第５の工程の後、スパッタリング又は蒸着により金属薄膜層を成膜する第６の工程と、
（ト）前記金属薄膜層をパターニングして、前記ｎ型多結晶シリコン層と前記金属薄膜層とを前記開口部でオーミック接触させて、温接点部と冷接点部とを接続して直列接続した熱電素子列を形成する第７の工程とを備え、
（チ）前記第２の絶縁膜と前記金属薄膜層上に第３の絶縁膜を形成した後、前記第３の絶縁膜上に赤外線吸収膜を形成する第８の工程と、
（リ）前記単結晶シリコン基板の裏面に空洞部を形成して、前記第１の絶縁膜を裏面から露出させる第９の工程と、
を含むことを特徴とするサーモパイル型赤外線センサの製造方法である。
【００６１】
また、請求項２２の発明は、サーモパイル型赤外線センサの製造方法に於いて、
（イ）単結晶シリコン基板の両面に熱酸化、ＣＶＤ又はスパッタリングにより第１の絶縁膜を形成する第１の工程と、
（ロ）前記第１の絶縁膜表面上にＣＶＤ又はスパッタリングにより第１の多結晶シリコン層を成膜する第２の工程と、
（ハ）前記第１の多結晶シリコン層に不純物を拡散することにより抵抗率が１〜１０ｍΩ・ｃｍの範囲の第１のｎ型多結晶シリコン層を形成する第３の工程と、
（ニ）前記ｎ型多結晶シリコン層をパターニングして、
チップ中心から半径ｒ１の位置を起点として前記半径ｒ１より前記チップ外縁寄りの半径ｒ２までの間に形成される扇形パターンと、該扇形パターンの外縁に連接されて前記チップ外縁近傍まで半径方向に沿って帯状に延在する、前記半径ｒ２より前記チップ外縁寄りの半径ｒ３から前記チップ外縁側端部まで切り欠いた切欠部が設けられた、鉤型パターンと、からなる第１部分パターンと、
前記半径ｒ２の位置を起点として前記基板外縁近傍まで半径方向に沿って帯状に延在する、前記半径ｒ３から前記チップ外縁側端部まで切り欠いた切欠部が設けられた、鉤型の第２部分パターンと、
前記半径ｒ３の位置を起点として前記基板外縁近傍まで半径方向に沿って帯状に延在する第３部分パターンと、を有し、
前記第２部分パターンが、前記第１部分パターンの前記鉤型パターンに並列して配置され、且つ、前記第３部分パターンが、前記第１部分パターンの前記鉤型パターン及び前記第２部分パターンのそれぞれに設けられた前記切欠部に配置されて、各部分パターンが、それぞれ互いに噛み合わされて全方向に均等に広がる放射状に構成される、
第１のパターンを形成する第４の工程と、
（ホ）前記第１のパターンを構成する複数の前記各部分パターンに分割されたｎ型多結晶シリコン層及び第１の絶縁膜上にＣＶＤ、ガラス塗布又はスパッタリングにより第２の絶縁膜を形成する第５の工程と、
（ヘ）前記第５の工程の後に、前記第２の絶縁膜上に第２の多結晶シリコン層を成膜し、前記第２の多結晶シリコン層に不純物を拡散することにより抵抗率が１〜１０ｍΩ・ｃｍの範囲の第２のｎ型多結晶シリコン層をドーピングして形成する第６の工程と、
（ト）前記第６の工程の後、前記第２のｎ型多結晶シリコン層をパターニングして、前記第１のｎ型多結晶シリコン層からなる第１のパターンに対して、円周方向に半ピッチずれた、前記第１のパターンと同一形状の第２のパターンを形成する第７の工程と、
（チ）パターニングされた前記第１及び第２のｎ型多結晶シリコン層上に第３の絶縁膜を形成し、温接点部及び冷接点部の各々に対応した部分の前記第２又は第３の絶縁膜に開口部を設ける第８の工程と、
（リ）前記第３の絶縁膜上に金属薄膜層を形成してパターニングし、前記開口部で前記第１と第２のｎ型多結晶シリコン層と前記金属薄膜層との接触によって形成される前記温接点部と冷接点部とを接続して熱電素子列を形成する第９の工程と、
（ヌ）前記第３の絶縁膜と前記金属薄膜層上に第４の絶縁膜を形成し、前記第４の絶縁膜上に赤外線吸収膜を形成する第１０の工程と、
（ル）前記単結晶シリコン基板の裏面に空洞部を形成して、前記第１の絶縁膜を裏面から露出させる第１１の工程と、
を含むことを特徴とするサーモパイル赤外線センサの製造方法である。
【００６２】
また、請求項２３の発明は、サーモパイル型赤外線センサの製造方法に於いて、
（イ）単結晶シリコン基板の両面に熱酸化、ＣＶＤ又はスパッタリングにより第１の絶縁膜を形成する第１の工程と、
（ロ）前記第１の絶縁膜表面上にＣＶＤ又はスパッタリングにより第１の多結晶シリコンを成膜する第２の工程と、
（ハ）前記多結晶シリコンに不純物を拡散することにより抵抗率が１〜１０ｍΩ・ｃｍの範囲のｎ型多結晶シリコン層を形成する第３の工程と、
（ニ）前記ｎ型多結晶シリコン層をパターニングして、
チップ中心から半径ｒ１の位置を起点として前記半径ｒ１より前記チップ外縁寄りの半径ｒ２までの間に形成される扇形パターンと、該扇形パターンの外縁に連接されて前記チップ外縁近傍まで半径方向に沿って帯状に延在する、前記半径ｒ２より前記チップ外縁寄りの半径ｒ３から前記チップ外縁側端部まで切り欠いた切欠部が設けられた、鉤型パターンと、からなる第１部分パターンと、
前記半径ｒ２の位置を起点として前記基板外縁近傍まで半径方向に沿って帯状に延在する、前記半径ｒ３から前記チップ外縁側端部まで切り欠いた切欠部が設けられた、鉤型の第２部分パターンと、
前記半径ｒ３の位置を起点として前記基板外縁近傍まで半径方向に沿って帯状に延在する第３部分パターンと、を有し、
前記第２部分パターンが、前記第１部分パターンの前記鉤型パターンに並列して配置され、且つ、前記第３部分パターンが、前記第１部分パターンの前記鉤型パターン及び前記第２部分パターンのそれぞれに設けられた前記切欠部に配置されて、各部分パターンが、それぞれ互いに噛み合わされて全方向に均等に広がる放射状に構成される、
第１のパターンを形成する第４の工程と、
前記第１の絶縁膜及び前記第１のパターンが形成された前記ｎ型多結晶シリコン層上に金属薄膜層を成膜する第５の工程と、
（ホ）前記金属薄膜層をパターニングして、パターニングされた前記ｎ型多結晶シリコン層の前記温接点部と冷接点部を前記金属薄膜層との接触によって形成するとともに、前記金属薄膜層によって前記温接点部と冷接点部とを互いに接続して熱電素子列を形成する第６の工程と、
（ヘ）前記第１の絶縁膜、前記金属薄膜層と前記パターン化されたｎ型多結晶シリコン層上に絶縁膜を形成し、該絶縁膜上のチップ中央部に赤外線吸収膜を形成する第７の工程と、
（ト）前記基板をエッチングして空洞部を形成し、前記第１の絶縁膜を裏面から露出させる第８の工程と
を含むことを特徴とするサーモパイル型赤外線センサの製造方法である。
【００６３】
また、請求項２４の発明は、前記熱電素子列上に形成される赤外線吸収膜が、硼珪酸系ガラス、ポリイミド系樹脂、ビニル系樹脂又はアクリル系樹脂の一種からなることを特徴とする請求項１９〜２３の何れかに記載のサーモパイル型赤外線センサの製造方法である。
【００６４】
また、請求項２５の発明は、加熱工程を経て、前記赤外線吸収膜の表面を凹凸を有する縞状パターンとしたことを特徴とする請求項１９〜２４の何れかに記載のサーモパイル型赤外線センサの製造方法である。
この発明では、赤外線吸収膜の凹凸を形成することで、赤外線の吸収率が向上する。
【００６５】
また、請求項２６の発明は、前記赤外線吸収膜の膜厚が１〜１５μｍであって、前記赤外線吸収膜の表面に１〜１０μｍの凹凸を形成したことを特徴とする請求項２５に記載のサーモパイル型赤外線センサの製造方法である。
【００６６】
この発明では、赤外線吸収膜の膜厚が１５μｍ以上であると吸収効率が低下するので、１〜１５μｍの範囲が好ましく、凹凸の寸法を１０μｍ以上とすると、反射率が向上するために、吸収効率が低下し、１〜１０μｍの範囲とすることによって、吸収効率を高めることができる。
【００６７】
上記製造方法に於いて、減圧ＣＶＤによる多結晶シリコン成膜時の温度を６００℃〜７００℃にすることによって、シリコンの結晶化が進行して多結晶化し、キャリア移動度が高くなり多結晶シリコン膜の抵抗率が低下し、ゼーベック係数を高くし、出力電圧−ジョンソンノイズ（Ｓ／Ｎ）比を高くすることができるサーモパイル型赤外線センサの製造方法である。
【００６８】
この発明では、熱電素子の温接点部を同心円に配置することによって、各熱電素子を構成するｎ型多結晶シリコン層の抵抗を低くできるとともに、入射赤外線によるメンブレン上の高温度になる部分が、中心部付近では円形に分布しているために、出力電圧を効率よく取り出せるので、Ｓ／Ｎ比の優れた赤外線センサが得られるとともに、ｎ型多結晶シリコン層のレイアウトを温接点が前記空洞部中心部から半径ｒ１＜ｒ２＜ｒ３の同心円の各円周上に配置することにより、多結晶シリコンによるメンブレン内に発生する応力が集中しないようになされている。
【００６９】
なお、本発明のサーモパイル型赤外線センサは、使用形態によって、サーモパイル素子（チップ）を基板にマウントして使用する場合やチップをパッケージングして使用する場合とがあり、本発明のサーモパイル型赤外線センサでは、このパッケージングとして、熱伝導率が高い金属ケースやＡｌ2 Ｏ3 やＡｌＮからなるセラミックパッケージが用いられ、このチップをセラミックパッケージで封じることにより、周囲温度の変化に対する追従性がよくなり、パッケージ内に温度差が発生せず、冷接点部の温度補償を高精度に行うことが可能となる。
【００７０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るサーモパイル型赤外線センサ及びその製造方法について、その実施の形態を示す図面を参照して説明する。なお、本発明では、実施形態１から４を参照して説明する。
【００７１】
（実施形態１）
本発明の実施形態１について、図１〜図６を参照して説明する。図１は、実施形態１に係るサーモパイル型赤外線センサのサーモパイル素子（チップ）を示す一部切欠斜視図であり、図２は、サーモパイル型赤外線センサの各熱電素子の接続を説明するための説明図である。図３（ａ）は、図１の多結晶シリコン層の平面図であり、絶縁膜、パッシべーション膜及び樹脂吸収膜等の図示は省略しており、図３（ｂ）は、絶縁膜を形成した場合の図３（ａ）のＸ−Ｘ断面図である。図４は、本実施形態のサーモパイル型赤外線センサの概要を示す部分平面図であり、図５は、絶縁膜を形成した場合の図４で示した部分断面図である。図６（ａ），（ｂ）は、サーモパイル素子にパッシべーション膜や赤外線吸収膜を形成した模式的断面図である。
【００７２】
図１に於いて、単結晶シリコン基板１に空洞部１３が形成され、空洞部１３を覆うように、絶縁膜２ａが形成されてメンブレン部１４が形成されている。空洞部１３を覆う絶縁膜２ａ上には、放射状のｎ型多結晶シリコン層が形成され、これらのｎ型多結晶シリコン層とアルミニウム等の金属薄膜層との接触部に温接点部と冷接点部とが形成される。隣接するｎ型多結晶シリコン層同志の温接点部と冷接点部とを金属薄膜層で交互に接続することで、直列接続された熱電素子列が絶縁膜２ａ上に形成される。温接点部は、空洞部１３上の絶縁膜２ａ上に形成され、冷接点部は、単結晶シリコン基板１上の絶縁膜２ａ上に形成されている。熱電素子列の引出線が外周部に形成された電極パッド部１２に接続されている。このように基板１の空洞部１３を覆うように薄膜架橋状に絶縁膜２ａが形成されて、その上に熱電素子列による感熱部が形成されている。さらに、後述するように、感熱部を覆うようにパッシベーション膜と赤外線吸収膜等が形成されている。
【００７３】
先ず、本実施形態の理解を容易とするために、図２を参照して各熱電素子の接続について説明する。図２に示すように、絶縁膜上にｎ型多結晶シリコン層３1 〜３3 が島状に形成されている。ｎ型多結晶シリコン層３1 の温接点部Ｔａは、金属薄膜層７によりｎ型多結晶シリコン層３2 の冷接点部Ｔｂと接続され、かつｎ型多結晶シリコン層３2 の温接点部Ｔａが金属薄膜層７でｎ型多結晶シリコン層３3 の冷接点部Ｔｂに接続されている。このようにｎ型多結晶シリコン層の温接点部Ｔａが、金属薄膜層７によって、隣接するｎ型多結晶シリコン層の冷接点部Ｔｂに接続されて、熱電素子が金属薄膜層７で直列接続されて熱電素子列を形成している。これらの最終端は、図１に示したように、電極パッド部１２に接続されている。
【００７４】
続いて、図３（ａ）を参照して説明すると、本実施形態のサーモパイル型赤外線センサのパターンは、ｎ型多結晶シリコン層３1 〜３3 と配線パターンである金属薄膜層７1 〜７3 とが放射状に形成されて、熱電素子列が形成されている。例えば、接点部Ｔａは、チップ中心近傍の円周上に４個形成され、その外側の同心円の円周上に３６個が形成され、さらにその外側の同心円の円周上に４０個が形成されている。これら熱電素子の冷接点部Ｔｂは、基板に形成された絶縁膜上のチップ周縁に温接点部と同数８０個が形成されている。このように熱電素子がチップ中心に放射状に形成されている。
【００７５】
サーモパイル型赤外線センサのパターンは、島状のｎ型多結晶シリコン層３1 〜３3 の各パターンの組合せから構成され、ｎ型多結晶シリコン層３1 は、チップ中心側を要とする扇型パターンと、この扇型パターンからチップ周縁方向に延びるストライプ状部とで構成されている。ｎ型多結晶シリコン層３1 のストライプ状部のパターン形状は、鉤型のｎ型多結晶シリコン層であり、他のパターンとの噛み合い部を除いてチップ周縁部の幅が広がった形状である。このｎ型多結晶シリコン層３1 の切欠位置には、ストライプ状に鉤型のｎ型多結晶シリコン層３2 が噛み合うように配置され、ｎ型多結晶シリコン層３1 ，３2 の切欠部に、ストライプ状のｎ型多結晶シリコン層３3 が噛み合うように形成されている。これらｎ型多結晶シリコン層３3 は、チップ周縁程、パターンの幅が広がった形状である。これらのｎ型多結晶シリコン層３1 〜３3 のチップ中心側の端部に温接点部Ｔａが設けられ、他端側に冷接点部Ｔｂが設けられている。これら島状のｎ型多結晶シリコン層のパターンが、絶縁膜２ａ上に放射状に均一に配置されることにより、メンブレン構造の応力分布を均一にすることができる。
【００７６】
図３（ｂ）は、図３（ａ）のＸ−Ｘ線に沿った部分の断面図であり、冷接点部Ｔｂの切断面が図示されている。同図では、絶縁膜２ａ上に形成されたｎ型多結晶シリコン層３2 ，３3 が絶縁膜４で覆われ、絶縁膜４にコンタクトホール（開口部）１５が形成され、この開口部１５でｎ型多結晶シリコン層３2 ，３3 とＡｌ等の金属薄膜層とがオーミック接触する接触部が形成され、この接触部に冷接点部Ｔｂが形成されている。温接点部も同様に絶縁膜４に開口部を形成して、金属薄膜層７とｎ型多結晶シリコン層とが接触して、温接点部が形成されている。また、ｎ型多結晶シリコン層の周縁は、急峻な段差を回避するためにテーパ状となっている。
【００７７】
さらに、本実施形態について、図４〜図６を参照して詳細に説明する。なお、図４は、サーモパイル型赤外線センサの部分拡大平面図であり、パターンの１／４が概略図で示されている。この図では、絶縁膜が省略されており、開口部１５ａ〜１５ｃは二点鎖線で示した。図５（ａ）〜（ｄ）では、図４のＡ−Ａ，Ｂ−Ｂ，Ｃ−Ｃ，Ｄ−Ｄ断面図が図示され、この図では、絶縁膜が形成されている。図６（ａ），（ｂ）は、本実施形態のサーモパイル型赤外線センサの熱電素子の膜構成を説明するための模式的断面図である。
【００７８】
本実施形態のサーモパイル型赤外線センサは、図４，図５に示したように、ｎ型多結晶シリコン層３1 〜３3 の温接点部Ｔａが、チップ中心Ｃから半径ｒ１〜ｒ３の円周上の位置にそれぞれ形成され、ｎ型多結晶シリコン層３1 〜３3 の終端部に冷接点部Ｔｂが形成されている。ｎ型多結晶シリコン層３1 のパターンは、半径ｒｌから半径ｒ２の間に形成された扇型パターン３ａと、この扇型パターン３ａから外縁部近くまで延在するストライプ状の鉤型パターン３ｂとからなり、鉤型パターン３ｂは、半径ｒ２から半径ｒ３までと、半径ｒ３から外周部に行くほど幅が広がった扇状となっている。ｎ型多結晶シリコン層３1 の切欠部を補うように、ｎ型多結晶シリコン層３2 が形成され、ｎ型多結晶シリコン層３2 のパターンは、半径ｒ２から外周方向に基板の外縁部近くまで延在する鉤型パターン３ｂ′からなるストライプ状パターンである。鉤型パターン３ｂ，３ｂ′の切欠部を補うように、ｎ型多結晶シリコン層３3 のパターンが配置され、ｎ型多結晶シリコン層３3 のパターンは、半径ｒ３から外周方向に延在するストライプ状パターン３ｃからなる。なお、半径ｒ１〜ｒ３は、ｒ１＜ｒ２＜ｒ３の関係にある。なお、半径ｒ１は、中心Ｃに近い位置である。また、チップ中心Ｃには、円形の多結晶シリコン層を残しても良い。
【００７９】
ｎ型多結晶シリコン層３1 〜３3 は、絶縁膜４で覆われ、ｎ型多結晶シリコン層３1 の扇型パターン３ａの先端部の絶縁膜４には、図５（ａ）に示すように、コンタクトホール（開口部）１５ａが形成され、ｎ型多結晶シリコン層３2 ，３3 の先端部の絶縁膜にも、図５（ｂ），（ｃ）に示すように、開口部１５ｂ，１５ｃがそれぞれ形成されている。これら開口部１５ａ〜１５ｃに金属薄膜層７がオーミック接触することで、温接点部Ｔａが形成されている。ｎ型多結晶シリコン層３1 〜３3 の他端には、図５（ｄ）に示すように、絶縁膜４に開口部１５ｄが形成され、金属薄膜層７が開口部１５ｄから露出するｎ型多結晶シリコン層とオーミック接触することで、冷接点部Ｔｂが形成されている。このように、ｎ型多結晶シリコン層３1 〜３3 は、そのチップ中心側に温接点部Ｔａが形成され、他端に冷接点部Ｔｂが形成されている。
【００８０】
上記したように、本実施形態のサーモパイル型赤外線センサは、１層のｎ型多結晶シリコン層で構成され、単結晶シリコン基板１の表面に形成された絶縁膜２ａ上にｎ型多結晶シリコン層３がストライプ状に多数放射状に形成されている。そして、絶縁膜２ａ及びｎ型多結晶シリコン層３上に形成された絶縁膜４に開口部１５ａ〜１５ｄが形成され、絶縁膜４上にＡｌ等の金属薄膜層を成膜した後、パターニングして温接点部と冷接点部とを交互に接続する金属薄膜層７が形成されている。
【００８１】
上記実施形態の各熱電素子が直列接続された熱電素子列上には、図６（ａ）に示したように、ＳｉＮによる絶縁膜８が形成され、その感熱部中央の温接点部Ｔａを覆うように、ＳｉＯ2 （絶縁膜）１０が被覆された硼珪酸系ガラス層９が形成されている。また、図６（ｂ）に示すように、感熱部中央の温接点部Ｔａを覆うように、ＰＳＧ（Phospho-Silicate-Glass）層８1 とＳｉＮ８2 とによる絶縁膜８が形成され、さらに赤外線の吸収を良好とするために、メンブレン中央部（感熱部）を覆うように樹脂吸収膜１６が形成されている。このようにガラス層又は樹脂吸収膜が形成されることによって、センサとしての赤外線吸収特性を向上させている。絶縁膜８は、ＳｉＮ以外にＳｉＯ2 、ＰＳＧ（リンガラス）、Ａｌ2 Ｏ3 、サイアロンの少なくとも一種を含む。
【００８２】
なお、図６（ａ）の絶縁膜１０は、硼珪酸系ガラス層９をエッチング工程から保護するために形成されている。この硼珪酸系ガラス層９と絶縁膜１０は、メンブレン中央部を残してエッチング除去され、ガラス層９と絶縁膜１０とは、赤外線吸収膜としての機能を有している。一方、図６（ｂ）の樹脂吸収膜１６は、ポリイミド系樹脂、ビニル系樹脂、フェノール系樹脂、エポキシ系樹脂、アクリル系樹脂及び合成ゴム等が用いられる。また、基板１の裏面には、絶縁膜２ｂが形成されており、絶縁膜２ｂをエッチングにより開口し、裏面からアルカリエッチャント等のエッチング液により異方性エッチングすることによって、空洞部１３が形成されている。なお、図１で示した電極パッド部１２は、絶縁膜８の一部をエッチングして開口し、金属薄膜１１，１２をパターニングして形成している。金属薄膜層１１，１２の材質は、Ａｕ，Ａｌ，Ｃｒ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，ＮｉＣｒの少なくとも一種が選択される。
【００８３】
次に、実施形態１のサーモパイル型赤外線センサの製造方法の一実施形態について、図１〜図６を参照して説明する。
【００８４】
▲１▼基板１は、面方位（１００）であり、その厚みが、４００μｍ程度の半導体単結晶シリコン基板からなり、９００〜１１００℃程度の温度で熱酸化し、基板１の両面に厚さが、０．１〜１μｍの二酸化シリコン（Ｓｉ０2 ）からなる絶縁膜２ａ，２ｂが形成されている。なお、絶縁膜２ａは、ＳｉＯ2 の一層、ＳｉＯ2 ＋ＳｉＮの２層、又はＳｉＯ2 ＋ＳｉＮ＋ＳｉＯ2 の３層構造の何れであってもよい。
【００８５】
▲２▼この絶縁膜２ａ上には、ＬＰ−ＣＶＤ法やスパッタリング法により膜厚が、０．１〜２μｍのノンドープ多結晶シリコン層が形成され、さらにこのシリコン膜にＰＯＣ１3 を不純物源として、８００〜１１５０℃の温度でリンをドーピングする。ドーピング後表面に形成されたリンガラス（ＰＳＧ）を緩衝弗酸によりエッチングする。この多結晶シリコン層は、抵抗率が１〜１０ｍΩ・ｃｍのｎ型多結晶シリコン層になる。
【００８６】
▲３▼ｎ型多結晶シリコン層３上に膜厚１〜４μｍのフォトレジストを形成する。このレジストをマスクとして、図４に示したように、チップ中心Ｃから放射状にストライプ状の多結晶シリコン層からなるパターンが形成される。このストライプ状パターンは、チップ中心Ｃを起点とする半径ｒｌからその外周方向に半径ｒ２の間の扇状パターン３ａと、扇状パターン３ａから基板外縁部近くまで延在する鉤型パターン３ｂのストライプ状パターンとから形成されている。さらに、半径ｒ２からチップ外周方向に前記基板の外縁部近くまで延在する鉤型パターン３ｂ′と、半径ｒ３から外周方向に前記基板の外縁部近くまで延在するストライプ状パターン３ｃとからなるパターンが形成される。
【００８７】
このｎ型多結晶シリコンの各パターンは、ｎ型多結晶シリコン層を反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等を用いてパターニングされ、ｎ型多結晶シリコン層３1 〜３3 が島状であって、互いに噛み合った配置で形成されている。なお、ＲＩＥによるｎ型多結晶シリコン膜のエッチングガスとしては、例えばＳＦ6 がよく、適切な条件を設定することによって、エッチングされたｎ型多結晶シリコン層３1 〜３3 のエッジ形状がテーパ状になる。各ｎ型多結晶シリコン層のエッジ形状をテーパ状にすることによって、シリコン層上に形成される上層膜のステップカバレッジの問題（配線の断線等）を改善することができる。なお、ｎ型多結晶シリコン層を等方性エッチングによって、その周縁部をテーパ状或いは階段状に形成してもよい。
【００８８】
▲４▼さらに、Ａｌ−Ｓｉをスパッタリング法によって、膜厚が０．２〜１μｍとなるまで堆積させた後、エッチャントとして燐酸を用いてパターニングして金属薄膜層７を形成する。この工程で、多数の温接点部Ｔａと冷接点部Ｔｂとを形成して、熱電素子が直列接続された熱電素子列による感熱部が形成される。
【００８９】
▲５▼続いて、感熱部上に、プラズマＣＶＤ法やスパッタリング法によって、絶縁膜８として膜厚０．２〜２μｍのＳｉＮが形成され、さらに絶縁膜８上に硼珪酸系ガラス層９が膜厚０．３〜３μｍで形成される。硼珪酸系ガラス層９は、３００〜６００℃の温度でアニールしてリフローすることによって、ピンホールの低減やステップカバレージが改善される。さらに、硼珪酸系ガラス層９上には、スパッタリング法によって、ＳｉＯ2 １０が膜厚０．１〜２μｍで形成されている。なお、絶縁膜８は、膜の引っ張り又は圧縮応力が緩和されるように、ＳｉＯ2 、ＳｉＮ又はＳｉＮＯの材料の中から選択して組み合わせて用いられる。例えば、ＳｉＯ2 とＳｉＮとの２層、又はＳｉＯ2 にＳｉＮを挟んだ３層構造とする。
【００９０】
▲６▼メンブレン部１４上の硼珪酸系ガラス層９とＳｉＯ2 １０の一部をエッチング除去して、メンブレン中央部を残して赤外線吸収膜とする。
【００９１】
▲７▼電極パッド部は、絶縁膜８の一部をエッチングして開口し、金属薄膜層１１，１２をパターニングして絶縁膜８にオーバーラップするように形成されている。
【００９２】
▲８▼最終工程では、基板１の裏面の絶縁膜２ｂをエッチングにより開口し、裏面から基板１をアルカリエッチャント等のエッチング液により異方性エッチングすることによって、基板１に空洞部１３が形成される。
【００９３】
最終工程における基板１の裏面のエッチングは、例えば、（１００）面単結晶シリコンをＫＯＨにより異方性エッチすると、図１に示されているように、５４．７°の角度のテーパが形成される。この製造方法は、バッチ処理で大量に処理可能な利点があるために、安価な素子を製作することができる利点を有する。しかし、この製造方法では、結晶構造に起因するテーパが形成されるために、チップ上で無駄な部分が生じ、チップサイズの縮小化が困難である。
【００９４】
チップサイズの縮小化の要求に対しては、ドライエッチング法によるシリコン基板を垂直にエッチングする製造方法が用いられる。この製造方法は、リアクティブイオンエッチング装置（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）を用いたドライエッチング技術によって、単結晶シリコンを８７°〜９０°の角度で垂直にエッチング加工することができる。この方法では、高密度プラズマが発生可能なＩＣＰ（Inducutively Coupled Plasma ）を適用したＩＣＰ−ＲＩＥ装置を用い、エッチングのマスクとしてＳｉＯ2 やレジストを用いて、シリコン基板を垂直にエッチングすることが可能である。このような方法を用いて加工することによって、チップサイズを縮小することができる。
【００９５】
続いて、樹脂製の赤外線吸収膜の製造方法について、図６（ｂ）を例にして説明する。樹脂吸収膜（赤外線吸収膜）１６は、メンブレン中央部を覆うように形成されている。赤外線吸収膜１６は、ポリイミド系樹脂、ビニル系樹脂、又はアクリル系樹脂の少なくとも１種が選択され、この樹脂中にカーボン等の赤外線の吸収特性を向上させる顔料が添加される。
【００９６】
上記赤外線吸収膜の成膜方法としては、スピンコートを用いたフォトリソグラフィ法、または印刷法がある。例えば、フォトリソグラフィ法を用いた赤外線吸収膜の成膜方法は、スピンコータを用いウエハ上に感光性レジストを滴下して、塗布されたレジストの膜厚を、０．１μｍから３０μｍとする。
【００９７】
レジスト膜は、恒温槽やホットプレート等の加熱手段によって、８０〜１２０℃程度の温度で加熱（プリベーク）される。プリベーク後、成膜された膜は、マスクアライナーにより所望のパターンをアライメントした後、露光現像し、赤外線吸収膜となるべき部分のレジストが除去される。続いて、リンス工程を経た後、ポストベークされて、最終的な形状が形成される。
【００９８】
次に、赤外線吸収膜となるカーボン微粒子を含んだ樹脂液を膜厚１〜３０μｍスピンコートする。さらに、８０℃から１２０℃程度の温度で加熱（プリベーク）した後、レジストを溶解する剥離液によりリフトオフする。最終加熱（ポストベーク）されて最終的な赤外線吸収膜が形成される。この最終の加熱工程において、温度、時間、加熱方法を制御することによって、図１９に示したが、成膜した樹脂吸収膜の表面に凹凸が１〜１０μｍからなる縞状パターンが形成される。なお、図１９の画像は、デジタル写真を示したものである。この図の樹脂吸収膜は、ホットプレートにより約１５０〜３００℃で２〜１５分間ポストベークしたときの吸収膜の表面を示している。
【００９９】
赤外線吸収膜に使用される樹脂としては、本発明で開示した樹脂以外に感光性樹脂を用いてもよい。感光性樹脂を用いた場合は、リフトオフ工程を省略することができる。
【０１００】
なお、フォトリソグラフィを用いてパターニングすると、スピンコート後の表面は、凹凸が１μｍ以下の非常に平坦な膜が形成される。この平坦な膜は、露光の際に解像度が増すなど多くの利点がある。しかし、光学的には、平坦であるために、入射した赤外線がこの表面で反射する。従来の成膜方法によって形成された平坦な膜の赤外線透過率は、波長１０μｍにおいて５％程度であるが、反射率が２５％程度と高いため、赤外線の吸収率が実質的に低下する。
【０１０１】
しかし、本実施形態のように、赤外線吸収膜の表面に１〜５μｍの凹凸の縞状パターンを形成することによって、赤外線吸収膜の表面に形成された凹凸で入射赤外線が散乱して、赤外線の反射率を１０％程度低下させることができる。赤外線吸収膜の反射率が低下することによって、赤外線吸収率が向上してセンサの出力を約５％向上させることができる。
【０１０２】
（実施形態２）
本発明に係るサーモパイル型赤外線センサの実施形態２について、図７〜図９を参照して説明する。図７は、サーモパイル型赤外線センサのパターンの半分を示す概略図である。図８は、全パターンの１／４の概略を示す要部拡大図である。なお、図７，図８では、絶縁膜やパッシベーション層等が省略されて図示されている。図９（ａ）〜（ｄ）は、図８で示したＡ−Ａ，Ｂ−Ｂ，Ｃ−Ｃ，Ｄ−Ｄ断面の膜構成を図示した。
【０１０３】
本実施形態は、実施形態１のｎ型多結晶シリコン層３1 〜３3 の抵抗を下げて、Ｓ／Ｎ比を向上させることを目的とし、ｎ型多結晶シリコン層の膜厚を厚くしたものであり、そのパターンが図７に示されている。本実施形態には、実施形態１と同様に、空洞部を有する単結晶シリコン基板を用い、その両面に絶縁膜が形成されている。絶縁膜上に形成される熱電材料であるｎ型多結晶シリコン層は、１層の多結晶シリコン層の膜厚を厚く形成する製造方法▲１▼と、２層のｎ型多結晶シリコン層を形成して厚く形成する製造方法▲２▼とがある。
【０１０４】
先ず、実施形態２のサーモパイル型赤外線センサについて、図７を参照して説明をすると、上記実施形態で説明したように、ｎ型多結晶シリコン層３1 〜３3 は、絶縁膜上のチップ中心から放射状に配置され、かつ互いに分離した島状に形成されている。図３（ａ）のｎ型多結晶シリコン層３1 〜３3 のパターンよりも小さめにパターニングしてエッチングし、メサ状にｎ型多結晶シリコン層３11〜３31が形成される。その後、ｎ型多結晶シリコン層３1 〜３3 のパターンを形成することによって、それらの周縁部をテーパの付いた階段状とした形状を有する。その上に、第２の絶縁膜４を形成し開口部を形成した後、金属薄膜層をスパッタリングしてパターニングすることによって、前記開口部において、ｎ型多結晶シリコン層と金属薄膜層とが接触することによって、温接点部Ｔａと冷接点部Ｔｂとが形成される。これらのｎ型多結晶シリコン層の周縁部を、テーパの付いた階段状にすることによって、急峻な段差を解消し、金属薄膜層のｎ型多結晶シリコン層の周縁部での金属薄膜層の断線を防止している。
【０１０５】
続いて、▲１▼１層の多結晶シリコン層による製造方法の実施形態について簡単に説明する。単結晶シリコン基板に絶縁膜２ａを形成し、絶縁膜２ａ上にＬＰ−ＣＶＤ法やスパッタリング法によって膜厚が、０．１〜２μｍのノンドープ多結晶シリコン層を形成し、さらにこの多結晶シリコン層にＰＯＣ１3 を不純物源として、８００〜１１５０℃の温度でリンをドーピングしてｎ型多結晶シリコン層を形成している。このｎ型多結晶シリコン層は、抵抗率が１〜１０ｍΩ・ｃｍとなる。ｎ型多結晶シリコン層を形成した後、その表面のリンガラス（ＰＳＧ）を緩衝弗酸によって除去し、その後、実施形態１のパターンに相似した小さいパターンでパターニングして、メサ状のｎ型多結晶シリコン層３11〜３31を形成し、次に、実施形態１のｎ型多結晶シリコン層と同一のパターンでパターニングして、階段状のｎ型多結晶シリコン層３1 〜３3 が形成される。その後、実施形態１で説明した製造工程を経て、パッシベーション膜と赤外線吸収膜等が形成されて、サーモパイル型赤外線センサが製造される。
【０１０６】
次に、▲２▼２層の多結晶シリコン層による製造方法の実施形態について簡単に説明する。図７〜図９を参照して説明する。なお、パターン化した１層の多結晶シリコン層を、２層目の多結晶シリコン層が覆うようにして、▲１▼の製造方法で説明した形状とほぼ等しい形状とするものであり、ｎ型多結晶シリコン層３1 〜３3 に相当する部分が、１層と２層の多結晶シリコン層で形成され、ｎ型多結晶シリコン層３11〜３31相当する部分が、１層の多結晶シリコン層で形成されている。先ず、単結晶シリコン基板に絶縁膜２ａを形成し、絶縁膜２ａ上にＬＰ−ＣＶＤ法やスパッタリング法によって膜厚が、０．１〜２μｍのノンドープ多結晶シリコン層を形成する。その後、上記ｎ型多結晶シリコン層３11〜３31を形成するマスクを用いて、互いに分離した多結晶シリコン層のパターンが形成される。さらに前記多結晶シリコン層上に、同様な製造方法で、０．１〜２μｍのノンドープ多結晶シリコン層が形成される。その後、これらの多結晶シリコン層に、ＰＯＣ１3 を不純物源として、８００〜１１５０℃の温度でリンをドーピングする。その後、ｎ型多結晶シリコン層３1 〜３3 のパターンを用いてｎ型多結晶シリコン層３1 〜３3 に相当するパターンが形成される。このｎ型多結晶シリコン層は、抵抗率が１〜１０ｍΩ・ｃｍとなる。このような製造工程を経て、絶縁層上にｎ型多結晶シリコン層３1 〜３3 がチップ中心に放射状に形成され、ｎ型多結晶シリコン層３1 〜３3 上に、ｎ型多結晶シリコン層３1 〜３3 に相似した小さいｎ型多結晶シリコン層３11〜３31がそれぞれ形成される。続いて、それらの上に絶縁膜を形成して開口部が形成され、ｎ型多結晶シリコン層を熱電材料とする各熱電素子の温接点部Ｔａと冷接点部Ｔｂとが形成され、かつ各熱電素子が直列接続されて熱電素子列が形成される。なお、熱電材料としてのｎ型多結晶シリコン層は、上記のようにノンド−プ多結晶シリコン層によるパターンを１層づつ形成して２層とし、その後、不純物を拡散させてｎ型多結晶シリコン層としてもよいし、１層毎に不純物を多結晶シリコン層にドーピングして、２層のｎ型多結晶シリコン層を形成してもよい。
【０１０７】
さらに、本実施形態を詳細について説明すると、ｎ型多結晶シリコン層３1 の温接点部Ｔａは、図９（ａ）に示したように、ｎ型多結晶シリコン層３1 上の絶縁膜４に形成された開口部１５ａで、ｎ型多結晶シリコン層３1 と金属薄膜層７とが接触して形成されている。この金属薄膜層７は、図９（ｂ），（ｃ）に示したように、ｎ型多結晶シリコン層３11上を通過することなく、ｎ型多結晶シリコン層３1 の絶縁膜４上をチップ周縁方向に延在している。そして、金属薄膜層７は、図９（ｄ）に示すように、開口部１５ｄでｎ型多結晶シリコン層３3 に接触して、冷接点部Ｔｂが形成されている。ｎ型多結晶シリコン層３2 の温接点部Ｔａは、図９（ｂ）に示したように、開口部１５ｂでｎ型多結晶シリコン層３2 と金属薄膜層７とが接触して形成されており、金属薄膜層７は、図９（ｃ）に示すように、絶縁膜４で覆われたｎ型多結晶シリコン層３2 上を通過して、図９（ｄ）に示すように、隣接するｎ型多結晶シリコン層３3 の開口部１５ｄで接触して冷接点部Ｔｂが形成されている。そして、ｎ型多結晶シリコン層３3 の温接点部Ｔａは、図９（ｃ）に示すように、ｎ型多結晶シリコン層３3 上の絶縁膜４に形成された開口部１５ｃで、金属薄膜層７とｎ型多結晶シリコン層３3 とが接触して、絶縁膜４上を通って、隣接するｎ型多結晶シリコン層３1 の冷接点部Ｔｂに接続されている。このように温接点部Ｔａと冷接点部Ｔｂとが形成された熱電素子は、図６（ａ），（ｂ）で示したように、パッシベーション膜と前記温接点部を覆うように赤外線吸収膜を形成してサーモパイル型赤外線センサが作製されている。
【０１０８】
無論、本実施形態では、上記実施形態と同様にｎ型多結晶シリコン層３1 〜３3 のパターンが絶縁膜上にチップ中心から放射状に噛み合うように形成されており、絶縁膜２ａ上に放射状に均一に配置されることにより、メンブレン構造の応力分布を均一にすることができる。かつ、ｎ型多結晶シリコン層の周縁は、急峻な段差を回避するためにテーパ状となっている。
【０１０９】
（実施形態３）
本発明に係るサーモパイル型赤外線センサの実施形態について、図１０及び図１１を参照して説明する。図１０は、本実施形態の１／４パターンの概略を図示しており、図１１は、図１０のＡ−Ａ，Ｂ−Ｂ，Ｃ−Ｃ，Ｄ−Ｄ，Ｅ−Ｅ断面図の膜構成を示している。本実施形態では、図１０，図１１に示すように、金属薄膜層７を絶縁膜２ａ上に配置することにより、先に説明したパターニングされたｎ型多結晶シリコン層を絶縁膜４で覆い、この絶縁膜４に開口部１５を形成する製造工程を不要とするものである。従って、実施形態３の製造方法は、実施形態１の製造方法から開口部１５を形成する絶縁膜４を除いた製造工程となるので、その詳細な説明は省略する。
【０１１０】
図１０，図１１において、本実施形態では、単結晶シリコン基板の絶縁膜２ａ上に、先に説明した製造工程と同様な工程によって、多結晶シリコン層が形成されて不純物拡散が行われ、その後、パターニングしてｎ型多結晶シリコン層３1 〜３3 が形成されている。熱電素子を構成する、一方の材料であって、配線をかねる金属薄膜層７が温接点部Ｔａから絶縁膜２ａ上を通って冷接点部Ｔｂに接続されるように構成されている。従って、ｎ型多結晶シリコン層３1 のパターンは、上記パターンとは多少異なり、金属薄膜層７による配線直下のｎ型多結晶シリコン層は除去されて、絶縁膜２ａ上に形成されている。
【０１１１】
ｎ型多結晶シリコン層３1 〜３3 は、上記実施形態とほぼ等しいパターンであるが、ｎ型多結晶シリコン層３1 のパターンは、切り込みを有する扇状パターン３ａである。ｎ型多結晶シリコン層３1 と金属薄膜層７との接触部７ａに温接点部Ｔａが形成され、この温接点部Ｔａから延びる金属薄膜層７は、扇状パターンのｎ型多結晶シリコン層３1 の溝部に露出した絶縁膜２ａ上を通って、金属薄膜層７との接触部７ｄである冷接点部Ｔｂに接続されている。また、ｎ型多結晶シリコン層３2 の接触部７ｂから絶縁膜２ａ上を通って、隣接するｎ型多結晶シリコン層３3 の接触部７ｃと接触している。さらに、ｎ型多結晶シリコン層３3 の接触部７ｃから絶縁膜２ａ上を通って、隣接するｎ型多結晶シリコン層３2 の接触部７ｄと接触している。直列接続された熱電素子列が形成されている。
【０１１２】
本実施形態では、開口部を形成するための絶縁膜を必要としないし、製造工数の削減ができる利点があり、歩留まりの向上も期待できる。また、ｎ型多結晶シリコン層の周縁部を階段状とすることによって、金属薄膜の配線パターンの断線防止ができ、さらにｎ型多結晶シリコン層と金属薄膜層とがチップ表面に均等に配置されるので、応力によるクラックの発生防止が可能となる。
【０１１３】
（実施形態４）
本発明に係るサーモパイル型赤外線センサの実施形態について、図１２〜図１４を参照して説明する。図１２は、サーモパイル型赤外線センサの１／４パターンの概略を示す図であり、図１３（ａ）〜（ｃ），図１４（ａ），（ｂ）は、図１２のＡ−Ａ，Ｂ−Ｂ，Ｃ−Ｃ，Ｄ−Ｄ，Ｅ−Ｅ断面図を示している。また、図１２では、熱電素子を覆う絶縁膜が図示されていないが、図１４，図１５では、絶縁膜が図示されている。また、図１２では、金属薄膜層とｎ型多結晶シリコン層との接触によって形成される温接点部Ｔａと冷接点部Ｔｂとを接触部として図示し、温接点部Ｔａと冷接点部Ｔｂを形成するために絶縁膜に形成される開口部の図示は省略した。
【０１１４】
なお、本実施形態では、熱電素子の熱電材料であるｎ型多結晶シリコン層が、絶縁膜を挟んで２層に形成されている。即ち、第１層のｎ型多結晶シリコン層は、実施形態１のパターンと同一のパターンであり、この実施形態１のｎ型多結晶シリコン層のパターンに対して、絶縁膜を介して同一パターンのｎ型多結晶シリコン層を円周方向に半ピッチずらして形成したものである。図１の実施形態と同一パターンであれば、１６０個の熱電素子を形成することができるが、８０個の熱電素子が形成できればよく、第１層のｎ型多結晶シリコン層の４０個、第２層のｎ型多結晶シリコン層の４０個をそれぞれ形成して、８０個の熱電素子を形成することで、実用上問題はない。
【０１１５】
図１３（ａ）〜（ｃ），図１４（ａ），（ｂ）は、図１２のＡ−Ａ，Ｂ−Ｂ，Ｃ−Ｃ，Ｄ−Ｄ，Ｅ−Ｅ断面の膜構成を示している。これらの図では、温接点部Ｔａ又は冷接点部Ｔｂを通過する切断面である断面図を示している。この実施形態では、一層の多結晶シリコン層を階段状とし、テーパを形成し、熱電素子を被覆するパッシベーション膜や赤外線吸収膜は、上記実施形態と同様の態様とする。
【０１１６】
図１２〜図１４を参照して説明すると、実施形態１と同様に、単結晶シリコン基板に形成された絶縁膜２ａ上に、第１のｎ型多結晶シリコン層３1 〜３3 が上記実施形態と同様にストライプ状に多数放射状に形成されている。その上部には、絶縁膜４が形成され、さらに絶縁膜４上に第２のｎ型多結晶シリコン層５1 〜５3 がストライプ状に形成されている。ｎ型多結晶シリコン層５1 〜５3 の第２のパターンは、ｎ型多結晶シリコン層３1 〜３3 の第１のパターンに対して半ピッチずれたパターンである。そして、その上に絶縁膜６が形成されている。第１のストライプ状のｎ型多結晶シリコン層３1 〜３3 上の２層の絶縁膜４，６には、開口部が形成され、第２のｎ型多結晶シリコン層５1 〜５3 上の絶縁膜６にも開口部が形成されている。これらの開口部は、熱電素子の温接点部と冷接点部とを形成するためのものであり、絶縁膜６上に、Ａｌ等の金属薄膜層を成膜し、パターニングすることによって、熱電素子を構成する一方の材料であって配線をかねる金属薄膜層７が形成され、ｎ型多結晶シリコン層３1 〜３3 ，５1 〜５3 と金属薄膜層７との接触部が熱電素子の温接点部Ｔａと冷接点部Ｔｂとなる。
【０１１７】
温接点部Ｔａの断面は、図１３（ａ）〜（ｃ）に示され、冷接点部Ｔｂの断面は、図１４（ａ），（ｂ）に示されている。第１のｎ型多結晶シリコン層３1 〜３3 の冷接点部は、図１４（ｂ）に示され、絶縁膜４に設けられた開口部で金属薄膜層７がｎ型多結晶シリコン層３1 〜３3 と接触して形成されている。第２のｎ型多結晶シリコン層５1 〜５3 の冷接点部は、図１４（ａ）に示され、絶縁膜６に設けられた開口部で金属薄膜層７とがｎ型多結晶シリコン層５1 〜５3 と接触して、冷接点部Ｔｂが形成されている。そして、第２のｎ型多結晶シリコン層の温接点部Ｔａと、隣接する第１のｎ型多結晶シリコン層の冷接点部Ｔｂとが接続されて、金属薄膜層７によって、直列接続された熱電素子列が構成されている。さらに、多数の温接点部が構成されるメンブレン部には、図６（ａ），（ｂ）に示したように、絶縁膜８からなるパッシベーション膜と赤外線吸収膜とが形成されている。
【０１１８】
上記実施形態１〜３の場合も同様であるが、ＳｉＮによる絶縁膜８上に硼珪酸系ガラス層９からなる赤外線吸収膜を形成することによって、センサとしての赤外線吸収特性を向上させることができる。なお、絶縁膜１０は、前記赤外線吸収膜からなる感熱部を形成するときに、エッチング工程から硼珪酸系ガラス層９を保護するために成膜される。電極パッド部１２は、絶縁膜８の一部をエッチングして開口し、金属膜１１，１２をパターニングして絶縁膜８にオーバーラップするように形成される。また、図６（ｂ）に示したように、メンブレン中央部に赤外線吸収膜１６として、ポリイミド系樹脂，ビニル系樹脂，又はアクリル系樹脂等からなる樹脂膜を形成してもよい。このように、１層構造のｎ型多結晶シリコン層、２層構造のｎ型多結晶シリコン層の場合であっても図６に示したパッシベーション膜や赤外線吸収膜等が形成される。
【０１１９】
次に、本実施形態の製造方法について、図１２〜図１４を参照して説明する。なお、単結晶シリコン基板の表裏に形成される絶縁膜２ａ上に第１層のｎ型多結晶シリコン層３1 〜３3 を形成する工程は、先に説明した製造工程と同様であるので、その説明は省略して、その次の工程から説明する。
【０１２０】
▲１▼図１２の点線で示した第１のｎ型多結晶シリコン層３1 〜３3 上部に、絶縁膜４を形成する工程に進む。絶縁膜４は、ＬＰ−ＣＶＤ法により膜厚０．１〜２μｍのＳｉＯ2 を形成する。なお、絶縁膜４として前述したように多結晶シリコン層を熱酸化し、多結晶シリコン表面に約１０ｎｍ〜１００ｎｍのＳｉＯ2 を形成して層間絶縁膜として構成することにより、層間絶縁性の向上をはかることができることはもちろんである。
【０１２１】
▲２▼第２のｎ型多結晶シリコン層の形成工程に進む。先ず、基板温度を６００℃〜７００℃として、この絶縁膜４上にＬＰ−ＣＶＤ法により膜厚が０．１〜２μｍのノンドープ多結晶シリコン膜を形成し、さらにイオン打ち込み法により、リンイオン打ち込みを行った後、８００〜１１５０℃の温度で熱処理してリンを拡散させる。このドーピング工程によって、ノンドープ多結晶シリコン層は、抵抗率が１〜１０ｍΩ・ｃｍのｎ型多結晶シリコン層になる。
【０１２２】
▲３▼前記ｎ型多結晶シリコン層上に、膜厚１〜４μｍのフォトレジスト膜を形成し、第１のｎ型多結晶シリコン膜３1 〜３3 の形成時と同じパターンであって、チップ中心Ｃから第１のｎ型多結晶シリコン膜３1 〜３3 の第１のパターンに対して、円周方向に半ピッチずらした第２のパターンで、図１２の実線で示すようにパターニングする。これによってチップ中心から周辺部に向かって放射状にストライプ状パターンが形成される。この放射状パターンは、先に下地に形成した第１のｎ型多結晶シリコン層３1 〜３3 のストライプパターンと同一である。このパターンをマスクとし、ＲＩＥ等を用いることにより、ｎ型多結晶シリコンがパターニングされ、第２のｎ型多結晶シリコン層５1 〜５3 が形成される。
【０１２３】
▲４▼第１及び第２のｎ型多結晶シリコン層３1 〜３3 及び５1 〜５3 のストライプパターンエッジ部上の絶縁膜４及び６をフォトリソグラフィによりパターニングして、ＲＩＥ法によりエッチングすることにより、温接点部と冷接点部を形成するための開口部が形成される。
【０１２４】
▲５▼第１のｎ型多結晶シリコン層３1 〜３3 と第２のｎ型多結晶シリコン層５1 〜５3 のそれぞれに、温接点部と冷接点部とを形成して接続するために、スパッタ法によってＡｌ−Ｓｉの金属薄膜層７を膜厚０．２〜１μｍで成膜し、その後、フォトリソグラフィによりパターニングし、エッチャントとして燐酸を用いてエッチングして、温接点部Ｔａ、冷接点部Ｔｂが各々接続され、同時に外部への取り出し電極１２を形成するための下地電極パッド部が形成される。
【０１２５】
▲６▼金属薄膜層７が形成された後、プラズマＣＶＤ法やスパッタ法により、ＳｉＮ，ＳｉＯ2 等の膜厚０．２〜２μｍの絶縁膜８が形成される。さらに、絶縁膜８上に、膜厚０．３〜３μｍの硼珪酸系ガラス層９がスパッタ法により成膜される。このガラス層９は、ピンホールを低減し、ステップカパレッジを改善するために３００〜６００℃の温度で熱処理される。このピンホールを低減する工程は、上記実施形態においても効果的である。
【０１２６】
▲７▼熱処理した前記ガラス層９上に、スパッタ法により膜厚０．５〜２μｍからなるＳｉＯ2 の絶縁膜１０を形成する。そして、フォトリソグラフィによりパターニングし、メンブレン中央部を残して硼珪酸系ガラス層９及び絶縁膜１０をエッチングし除去する。さらに、フォトリソグラフィによりパターニングして電極パッド部上の絶縁膜８をエッチングして除去し、電極パッド１１，１２としてＣｒを５０〜３００ｎｍ、Ａｕを１００〜５００ｎｍの厚さに成膜した後、リフトオフによりパターニングする。
【０１２７】
▲８▼基板１の裏面絶縁膜２ｂをフォトリソグラフィによりエッチングして開口部を形成し、裏面から単結晶シリコン基板１をアルカリエッチャント等で異方性エッチングして基板部分を除去し、空洞部１３を形成し、赤外線受光部となる温接点部を含んだメンブレン部１４が形成されたセンサチップの完成となる。
【０１２８】
そして、最終工程において、赤外線吸収膜である樹脂膜の形成方法としては、スクリーン印刷法、インクジェット法、あるいは樹脂をスピンコートした後、硬化させ、フォトリソグラフィによるパターニングによって形成する方法等がある。インクジェット法の場合は、空洞部を形成した後でも樹脂膜を形成することができる。なお、必要に応じて、赤外線吸収特性を向上させるため、樹脂にカーボン等を分散させてもよい。
【０１２９】
さらに、上記実施形態に於いて、金属薄膜層７の上に形成される絶縁膜としては、ＳｉＯ2 ，ＳｉＮ，ＳｉＮＯ以外に、ＰＳＧ（リンガラス），Ａｌ2 Ｏ3 ，サイアロンの何れか一つを含む絶縁膜であってもよい。また、金属薄膜層７を覆う絶縁膜は、ＰＳＧとＳｉＮとで構成してもよい。
【０１３０】
上記実施形態のサーモパイル型赤外線センサは、通常図１５に示すようにパッケージに封入して赤外線検出器として用いられる。同図は、サーモパイル素子ＴＡをステムＳＡ上に固定した状態を示す。使用されるステムＳＡは、例えば、ＦｅやＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ等の金属製で、サーモパイル素子ＴＡを固定する中央部には凹みが形成されている。
【０１３１】
また、サーモパイル素子ＴＡは、熱伝導性が非常によい接着剤によりステム上に固定される。温度補償用に用いられるサーミスタチップＴＢも、導電性ペーストによりステム上に接着される。サーモパイル素子ＴＡの電極パッド部とステム上に形成された外部電極端子部との接続は、Ａｕ線やＡｌ−Ｓｉ線でワイヤボンディングにより接続される。
【０１３２】
ステムＳＡ上にサーモパイル素子ＴＡとサーミスタチップＴＢを載置固定して電気的に接続した後、赤外線透過性フィルタ材をエポキシ系接着剤や半田によってキャップ開口部に接着固定したウィンドウ付キャップＳＢを、ステムＳＡに被せて溶接などの方法により気密封止する。パッケージ内は、乾燥窒素、Ａｒ、ＫｒやＸｅガスなどの熱伝導性の低いガスで封止するか、または真空で封止する。低熱伝導性ガスや真空で封止することによって、サーモパイル素子のメンブレン部から前記封止ガスを介して周囲雰囲気への熱の伝導を低減させることができ、赤外線検出器の高出力化が図れる。
【０１３３】
一方、ウィンドウ付キャップＳＢには、ウインドウ材となる赤外線透過性フィルタ材Ｆが設けられている。赤外線透過性フィルタ材Ｆは、シリコン基板やゲルマニウムの基板表面に、透過率を制御するためにＺｎＳやＧｅ等により構成される数十層の多層膜で形成されているために非常に高価である。従って、安価な赤外線センサを製造するには、パッケージサイズを小さくし、フィルタサイズを極力小さくする必要がある。しかし、フィルタサイズが極端に小さいと、入射赤外線線量が減少することにより、センサ出力が低下する。
【０１３４】
このような観点からフィルタサイズをできる限り、有効に利用し得るキャップ構造について、図１６（ｃ），（ｄ）を参照して説明する。ウィンドウ付キャップＳＢには、キャップＳＢに開口部２７が設けられて、この開口部２７に赤外線透過性フィルタ材Ｆを嵌め込むようにする。しかし、プレス等の金型を用いて加工して、製作された場合、開口部２７が円形である場合には問題とならないが、四角形や六角形の開口部の場合、コーナ部分が存在するので、四角形や六角形の辺と辺とが交わる部分である隅に丸みが発生する加工特性がある。
【０１３５】
例えば、開口部２７が正方形であり、その一辺が２ｍｍである場合、開口部２７のコーナ部の丸みは、半径が最小で０．２〜０．３ｍｍとなる。半径が０．２ｍｍの場合は、隙間Ｇ１が約０．０６ｍｍとなり、０．３ｍｍの場合は、開口部とウインドウ材との隙間Ｇ１が約０．１ｍｍとなる。開口部の加工精度を考慮すると、その隙間は更に多きなものとなる。
【０１３６】
このように、フィルタ材Ｆの角が開口部２７に嵌入するようにするためには、開口部の隅部に丸みが形成されることで、フィルタ材Ｆを挿入することができるので、隙間Ｇ１が大きくなる。この隙間Ｇ１が発生することで、フィルタ材Ｆと開口部２７との接着に多量の接着剤を必要とする。また、接着剤が入射側の面に漏れ出すおそれがあり、好ましくは以下に説明する図１６（ａ），（ｂ）のウィンドウ付キャップＳＢの構造とする。無論、この隙間Ｇ１の場合であっても樹脂２８を充填することによって、充分実施し得るものである。
【０１３７】
次に、図１６（ａ），（ｂ）のウィンドウ付キャップ構造について説明する。同図において、ウィンドウ付キャップＳＢは、キャップＳＢに開口部２６が設けられて、この開口部２６に赤外線透過性フィルタ材Ｆが嵌入している。開口部２６は、それらの隅が円形の切欠部が形成されており、ダイシング加工によって切り出された赤外線透過性フィルタ材Ｆの四隅がそれぞれ円形或いは湾曲した切欠部２６ａに嵌入して、開口部２６に嵌挿される。フィルタ材ＦとキャップＳＢとの隙間Ｇ２は、加工精度の許容誤差を考慮した寸法とすることができ、極めて狭いものとすることができる。
【０１３８】
このように、開口部２６のコーナ部において、各辺の延長上の交点より、外側方向に切欠部２６ａを形成することにより、ウインドウ材Ｆを開口部２６に嵌挿した際の引っ掛かりが無くなり、コーナ部に起因する開口部とウインドウ材との隙間をより、小さくすることができる。従って、気密封止の信頼性が向上し、接着剤２８がウインドウ材表面にはみ出し等の不良を最小限にすることができる。
【０１３９】
次に、図１７（ａ），（ｂ）を参照して他の実施形態について説明する。同図は、ウィンドウ付キャップ構造の一部切欠き斜視図を示し、同図（ａ）はウィンドウ材を設けるための開口部を形成したキャップ内部側からの斜視図であり、同図（ｂ）はウィンドウ材が設けられたキャップ外観を示す斜視図である。
同図において、キャップＳＢには、四角形の開口部２６が設けられ、開口部２６の四隅に凹部２６ｂが設けられている。凹部２６ｂは、キャップ裏面側から外側に突出するように形成されている。ウインドウ材Ｆは、四角形であり、凹部２６ｂの深さを調節することで、開口部２６にウインドウ材Ｆを嵌入させたときに、ウインドウ材Ｆの表面（赤外線入射面）とキャップＳＢの表側とが面一となる。無論、ウインドウ材Ｆは、開口部２６に嵌入した際に、キャップＳＢの表面から多少凹凸があったとしても問題はないが、段差が生じないように嵌入させるのが望ましい。その後、キャップＳＢの裏側からウインドウ材Ｆの周囲と凹部２６ｂに樹脂を充填して、ウインドウ材Ｆをキャップの開口部２６に固定する。この開口部２６は、ウインドウ材Ｆの寸法が一致し、ウインドウ材Ｆが四隅の凹部２６ｂの底部に当接させて固定されている。従って、本実施形態では、ウインドウ材Ｆの全面で赤外線を吸収する面とすることができ、従来のウインドウ材の形状より小さな形状とすることが可能であり、高価なウインドウ材Ｆをコスト低減に役立ち経済的である効果を有している。
【０１４０】
図１８（ａ）は、パッケージとしてアルミナのようなセラミックパッケージを用いた例であり、サーモパイル素子ＴＡやサーミスタチップＴＢがワイヤーボンディングによって配線がなされている。図１８（ｂ）は、セラミックパッケージ内にサーモパイル素子ＴＡの空洞部側が赤外線の受光面となるように載置し、サーミスタチップＴＢとして、面実装タイプ（surface mount type）のものを用いた例を示す。アルミナは、熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋ程度と高く、赤外線検出器のケースとして使用したときに、パッケージに発生する温度分布が小さくなるために測定温度誤差を小さくできる利点がある。パッケージ材料としては、アルミナに限定されるものではなくて、ＡｌＮを用いれば、熱伝導率が１７０Ｗ／ｍ・Ｋと大きいため、さらに良い特性が得られる。図１８（ｂ）のような形状で使用する場合は、空洞部側に硼珪酸系ガラスや赤外線吸収膜を形成するとよい。
【０１４１】
次に、本発明のサーモパイル型赤外線センサの赤外線吸収スペクトルについて、図２０を参照して説明する。図２０（ａ）は、メンブレン部にＳｉＯ2 膜の場合の赤外線吸収特性を示し、同図（ｂ）は、メンブレン部に硼珪酸鉛ガラス膜を形成した場合の赤外線吸収特性を示している。同図（ｂ）から明らかなように、硼珪酸系ガラス９（図６（ａ）参照）として、硼珪酸鉛ガラスを用いた場合、約６〜１１μｍの波長に吸収帯（温度に換算して、約−１０〜２１０℃）がある。また、同図（ａ）から明らかなように、ＳｉＯ2 膜では、約８〜９．５μｍの波長に吸収帯（温度に換算して、約３０〜９０℃）がある。すなわち、実施形態のサーモパイル型赤外線センサのように、硼珪酸系ガラスを絶縁膜として用いることによって、従来用いられていたＳｉＯ2 膜に比べて、広い温度範囲を検知することができる。さらに、パッシベーション膜としてＳｉＮ膜を用いた場合、１０〜１２μｍの波長に吸収帯があり、成膜時に酸素を導入してＳｉＮＯ膜にすることにより、吸収帯を短波長側にシフトすることができる。従って、ＳｉＮＯ膜と硼珪酸ガラス膜とを組み合わせることによって、吸収帯を拡張することができ、感度を一層向上させることができる。なお、硼珪酸系ガラス膜として、硼珪酸鉛ガラス膜を用いた場合を示したが、鉛に変えて他の元素を添加して熱処理したものであってもよい。無論、無添加の硼珪酸ガラス膜であってもよい。
【０１４２】
なお、本実施形態では、一層のｎ型多結晶シリコン層で８０個の熱電素子を形成しているが、これに限定することなく、チップ中心の同心円の半径やパターン幅を変えることによって、さらに個数を増減することが可能である。実施形態２では、受光パワー密度１．２５ｍＷ／ｃｍ2 の条件で、Ｓ／Ｎ比が８４ｄＢのセンサを製造することができた。
【０１４３】
なお、本発明のサーモパイル型赤外線センサは、小型で高精度に非接触温度測定が可能なため、人間の体温を高速に測定可能な耳式体温計用センサとして最適なセンサとなる。
また、本発明において、素子表面に熱電素子列を１つ以上形成して、熱電素子列をチップ上あるいは外部で直列接続するようにしてもよい。
【０１４４】
【発明の効果】
上述のように、本発明によれば、熱電材料としてｎ型多結晶シリコン層を用いることによって、ｐ型多結晶シリコン層に比べてキャリアとなる電子の移動度が大きく、同じ抵抗率でもゼーベック係数が大きくなるために出力電圧−ジョンソンノイズのＳ／Ｎ比が大きくなる。しかも、実施形態１〜３のように、温接点部がサーモパイル素子の空洞部の中心から半径ｒ１＜ｒ２＜ｒ３の距離順に同心円に配置されることによってｎ型多結晶シリコン層によるメンブレン部の応力集中が緩和され、かつｎ型多結晶シリコン層のストライプ幅をできるだけ広く形成することによってサーモパイル素子の抵抗を低くできるようになされている。その結果、出力電圧対ジョンソンノイズのＳ／Ｎ比を高くでき、またメンブレン部全体の応力が低減されるために異方性エッチング時の歩留まりが向上し、その結果とし安価なサーモパイル素子の製造が可能になる利点がある。
【０１４５】
さらに、実施形態４に示したように、ｎ型多結晶シリコン層を絶縁膜を介して２層に積層し、又は、上下のシリコン膜のパターンを半ピッチずらして形成し、さらに、温接点部がサーモパイル素子の空洞部の中心から半径ｒ１＜ｒ２＜ｒ３の距離順に同心円に配置することによって、ｎ型多結晶シリコン層によるメンブレン部の応力集中が緩和される。また、実施形態１〜３の場合と同様の温接点数をパターンをずらした２層のｎ型シリコン層を形成した場合、ストライプ幅を広く形成することが可能であり、サーモパイル素子の抵抗を低くできる。その結果、一層出力電圧対ジョンソンノイズのＳ／Ｎ比を高くでき、またメンブレン部全体の応力が低減されるために異方性エッチング時の歩留まりが向上し、安価なサーモパイル素子の製造が可能であり、その結果安価なサーモパイル型赤外線センサを提供できる。
【０１４６】
また、本発明によれば、サーモパイルを構成する熱電材料として、ｎ型多結晶シリコン膜の抵抗率を１ｍΩ・ｃｍから１０ｍΩ・ｃｍにすることによって、出力電圧とジョンソンノイズのＳ／Ｎ比を大きくし、電圧感度の温度依存性を小さくすることができる。すなわち、多結晶シリコン膜の抵抗率が１ｍΩ・ｃｍよりも小さい場合は、ゼーベック係数が小さくなり実用となる出力電圧が得られないし、出力電圧を大きくするためには、接点数を増やさなければならないのでその分、熱電対の全長が長くなり製造歩留まりが低下する欠点がある。また、１０ｍΩ・ｃｍ以上の場合は、ゼーベック係数は大きくなるがジョンソンノイズも大きくなってＳ／Ｎ比が低下する欠点がある。
【０１４７】
また、ｎ型多結晶シリコン層の抵抗率を１ｍΩ・ｃｍ〜１０ｍΩ・ｃｍの範囲に設定することによって、熱電対数、ｎ型多結晶シリコン膜のパターン形状及び温接点部の位置、センサのＳ／Ｎ比等のパラメータを最適化でき、製造歩留まり等の関係で量産しやすい利点がある。
【０１４８】
また、ｎ型多結晶シリコン層のパターンエッジ形状を、階段状やテーパ状にすることによって多結晶シリコン層上に成膜する膜のステップカパレッジに対する制約が緩和されるため、多結晶シリコン層の膜厚を厚くすることが可能となる。また、段差が低く緩やかになるため、多結晶シリコン層上に成膜する膜を薄膜化することができるので、段差上での金属膜の断線などの問題がなくなる。
【０１４９】
さらに、赤外線吸収膜として硼珪酸系ガラスやＳｉＮＯを用いることにより、従来のＳｉＯ2 に比較し３０％程度の高出力化が図れる。また、樹脂などからなる吸収膜に比較し、異方性エッチング前に形成できるので、素子製作コストの削減が可能となる。
【０１５０】
なお、パッケージ材として、Ａｌ2 Ｏ3 やＡｌＮ等のセラミックを用いることにより、安価で温度ドリフトの少ない小型のサーモパイル素子を製作することができる。
【０１５１】
また、冷接点温度補償素子として、抵抗値を狭偏差で分類したチップサーミスタや薄膜サーミスタを用いることにより、非接触温度センサとして用いた場合、出荷時キャリブレーション工数の削減や、対象物体の温度を高精度に測定することができる。
【０１５２】
また、本発明では、素子に形成される赤外線吸収膜の表面を縞状にすることで、赤外線の反射を抑制して吸収率を高めることで、赤外線の検出効率を高めることができるとともに、Ｓ／Ｎ比の向上に寄与する。
【０１５３】
また、本発明では、キャップに高価なウインドウ材が装着されるので、ウインドウ材を無駄なく有効に利用できるように、キャップに開口部を形成することで、安価な赤外線センサを提供することができる。また、開口部の四隅に形成される凹部は、キャップにウインドウ材を強固に固定するのに有効であり、またキャップ内に注入した不活性ガスを密封するのに有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のサーモパイル型赤外線センサの実施形態１を示す一部切欠斜視図である。
【図２】本発明のサーモパイル型赤外線センサを説明するための説明図である。
【図３】（ａ）は、図１のサーモパイル型赤外線センサの平面図、（ｂ）は、そのＸ−Ｘ断面図である。
【図４】図１のサーモパイル型赤外線センサの部分拡大平面図である。
【図５】（ａ）〜（ｄ）は、図４のＡ−Ａ，Ｂ−Ｂ，Ｃ−Ｃ断面図であり、Ｄ−Ｄ断面は、膜構成の断面図である。
【図６】（ａ）は、本発明に係るサーモパイル型赤外線センサの一実施例の模式的断面図、（ｂ）は、他の実施例を示す模式的断面図である。
【図７】本発明のサーモパイル型赤外線センサの実施形態２を示す部分平面図である。
【図８】図７のサーモパイル型赤外線センサの部分拡大平面図である。
【図９】（ａ）〜（ｄ）は、図８のＡ−Ａ，Ｂ−Ｂ，Ｃ−Ｃ断面図であり、Ｄ−Ｄ断面は膜構成を示し断面図である。
【図１０】本発明のサーモパイル型赤外線センサの実施形態３を示す部分拡大平面図である。
【図１１】（ａ）〜（ｅ）は、図１０のＡ−Ａ，Ｂ−Ｂ，Ｃ−Ｃ断面図であり、Ｄ−Ｄ，Ｅ−Ｅ断面は膜構成の断面図である。
【図１２】本発明のサーモパイル型赤外線センサの実施形態４を示す部分拡大平面図である。
【図１３】（ａ）〜（ｃ）は、図１０のＡ−Ａ，Ｂ−Ｂ，Ｃ−Ｃ断面図である。
【図１４】（ａ），（ｂ）は、図１０のＤ−Ｄ，Ｅ−Ｅ断面の膜構成を示す断面図である。
【図１５】サーモパイル素子をステムに収納したタイプのパッケージ構造を示す分解斜視図である。
【図１６】（ａ），（ｃ）は、サーモパイル素子を収納するためのキャップの正面図であり、（ｂ），（ｄ）は、その断面図である。
【図１７】（ａ）は、キャップの裏側からの一部切欠斜視図であり、（ｂ）は、キャップの表側からの一部切欠斜視図である。
【図１８】（ａ），（ｂ）は、サーモパイル素子をセラミックパッケージに収納したタイプのパッケージ構造を示す分解斜視図である。
【図１９】赤外線吸収膜の表面の形成された縞状の凹凸を示すデジタル写真である。
【図２０】本発明のサーモパイル型赤外線センサの赤外線吸収特性を示す図である。
【図２１】従来のサーモパイル素子の要部斜視図である。
【符号の説明】
１  単結晶シリコン基板
２（２ａ，２ｂ）  絶縁膜
３（３1 〜３3 ，３12 〜３32）  多結晶シリコン層
３ａ  扇型パターン
３ｂ，３ｂ′  鉤型パターン
３ｃ  ストライプ状パターン
４  絶縁膜
５（５1 〜５3 ）  多結晶シリコン層
６  絶縁膜
７  金属薄膜
８  絶縁膜
８1  ＰＳＧ
８2  ＳｉＮ
９  硼珪酸ガラス
１０  ＳｉＯ2
１１，１２  電極パッド
１３  空洞部
１４  メンブレン部
１５ａ〜１５ｄ  開口部
１６  赤外線吸収膜
２６  開口部
２６ａ  切欠部
２６ｂ  凹部
２７  開口部
２７ａ  切欠部
２８  接着剤
Ｆ  ウインドウ材
ＳＢ  キャップ
Ｔａ  温接点部
Ｔｂ  冷接点部
【図１】
0004511676.tif 000002
【図２】
0004511676.tif 000003
【図３】
0004511676.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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